Фотодиоды применение: Фотодиоды. Виды и устройство. Работа и характеристики

Содержание

Фотодиоды. Виды и устройство. Работа и характеристики

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

Устройство и принцип действия

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

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

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

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

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

Фотоносители в виде дырок осуществляют положительный заряд области «р», по отношению к области «n». В свою очередь электроны производят отрицательный заряд «n» области относительно «р» области. Возникшая разность потенциалов называется фотоэлектродвижущей силой, и обозначается «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/м

2.

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:

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 принцип действия, классификация, применение Электро…

Привет, Вы узнаете про Фотодиод, Разберем основные ее виды и особенности использования. Еще будет много подробных примеров и описаний. Для того чтобы лучше понимать что такое Фотодиод,Фотодиоды , настоятельно рекомендую прочитать все из категории Электроника, Микроэлектроника , Элементная база

Фотодиод — это фоточувствительный полупроводниковый диод с р-n переходом (между двумя типами полупроводника или между полупроводником и металлом).

Под действием света, падающего на p-n переход , в последнем образуются электронно-дырочные пары. Не основные носители, т.е. дырки в n- области и электроны в p- области, диффундируют в область p-n перехода, втягиваются его полем и выбрасываются в область, расположенную за переходом, образуя в ней объемный заряд. По мере перехода не основных носителей из одной области в другую происходит их накопление в одной части рассматриваемой системы, в то время как в другой ее части накапливаются основные носители тока. Это накопление не может продолжаться беспредельно, т.к. одновременно с возрастанием концентрации дырок в p- области и электронов в n- области возрастает создаваемое ими электрическое поле, препятствующее переходу не основных носителей через запирающий слой из одной области в другую. По мере возрастания этого поля возрастает и обратный поток носителей. В конце концов, наступает динамическое равновесие, при котором число не основных носителей, перемещающихся за единицу времени через запирающий слой, равно числу тех же носителей перемещающихся в обратном направлении. При этом, между электродами устанавливается некоторая разность потенциалов Е, это фото ЭДС. При подключении к выводам фотодиода нагрузки в ее цепи появляется ток, величина которого определяется разностью встречных потоков носителей через p-n переход.

Структура перехода фотодиода показана на Рис.1.а, а семейство вольт-амперных характеристик на Рис.1.б.

Фотодиоды используют в фотодиодном и фотогальваническом режимах. В первом диод смещается в обратном направлении, и фототок является функцией светового потока. Во втором режиме прибор работает в режиме генерации фото ЭДС. По сравнению с фотогальваническим, фотодиодный режим обладает рядом достоинств: пониженной инерционностью, повышенной чувствительностью, к длинноволновой части оптического спектра, широким динамическим диапазоном линейности характеристик. Основной недостаток этого режима — наличие шумового тока, обусловленного флуктуациями ( потока носителей заряда через p-n переход, протекающего через нагрузку. В ряде случаев при н

Рис. 1

еобходимости обеспечения низкого уровня шума фотоприемника фотогальванический режим может оказаться более выгодным, чем фотодиодный.

Вольт-амперные характеристики фотодиода в квадранте I (см. Рис.1.б) соответствуют включению в прямом направлении. Квадрант IV соответствует случаю работы диода в фотогальваническом режиме т.е. фотодиод работает как солнечный преобразователь, ток и напряжение при этом зависят от силы светового потока. Для выделения на нагрузке максимальной мощности берется сопротивление нагрузки равное внутреннему сопротивлению фотодиода. По оси напряжения можно определить фото ЭДС при различной интенсивности принимаемого светового потока Ф и нулевом сопротивлении нагрузки, а по оси тока — фототок при различных значениях Ф и нулевом сопротивлении нагрузки. Характеристики в квадранте III соответствуют включению прибора в фотодиодном режиме. Напряжение UПР — напряжение электрического пробоя фотодиода. Напряжение UР — рабочее — указывают в паспорте.

Вольт-амперную характеристику при отсутствии облучения называют темновой при этом вольт-амперная характеристика фотодиода проходит через 0 и совпадает с характеристикой обычного диода. Значение темнового тока IТ при заданной температуре окружающей среды и рабочем напряжении указывают в паспорте прибора. Параметры кремниевых и германиевых фотодиодов заметно зависят от температуры окружающей среды. С повышением ее на каждые 10° темновой ток германиевых приборов увеличивается в 2, а кремниевых в 2,5 раза. При этом чувствительность и обнаружительная способность уменьшаются, уровень собственных шумов увеличивается, а максимум спектральной характеристики сдвигается в сторону более коротких волн. Понижение температуры приводит к противоположным изменениям.

Описание

обозначение на схемах

Структурная схема фотодиода.

1 — кристалл полупроводника;

2 — контакты;

3 — выводы;

Φ — поток электромагнитного излучения; Е — источник постоянного тока; RH — нагрузка.

внешний вид фотодиодов

эквивалентная схема фотодиода

Классификация фотодиодов

  • 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 . Об этом говорит сайт https://intellect.icu . Он возникает тогда, когда энергия фотоносителей превышает энергию образования электронно-дырочных пар. Очень чувствительны. Для оценки существует коэффициент лавинного умножения:

    Для реализации лавинного умножения необходимо выполнить два условия:

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

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

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

  • Фотодиод с гетероструктурой

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

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 емкостью 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

Основные характеристики фотодиодов

Рис. 2

токовая чувствительность Si (А/лм или А/Вт) — определяет значение фототока, создаваемого единичным потоком излучения; Статическую интегральную токовую чувствительность при монохроматическом световом потоке или мощности излучения определяют отношением:

(1)

или

(мА-Вт-1) (2)

где IФ — фототок; Ф — световой поток, Р — мощность излучения.

При работе прибора в фотодиодном режиме удобно использовать понятие интегральной вольтовой чувствительности:

(3)

(4)

где UВЫХ — изменение выходного напряжения; RН — сопротивление нагрузки.

— спектральная характеристика. Показывает распределение чувствительности материала к длине волны падающего на него излучения. На Рис.2 показаны типовые спектральные характеристики кремниевого (2) и германиевого (1) фотодиодов. Как видно из Рис.2, максимум чувствительности германиевых диодов сдвинут в сторону более длинных волн.

— постоянные времени нарастания и спада фототока, они определяют предельные значения рабочей частоты модуляции светового потока, при которых еще не заметно уменьшение фото отклика. Эти параметры характеризуют инерционность приборов. Обычно .

— быстродействие — определяется граничной частотой fГР, соответствующей максимальной частоте модуляции светового потока, на которой статическая чувствительность уменьшается до уровня 0,707 от чувствительности на низкой частоте модуляции.

— номинальное рабочее напряжение UНОМ, темновой ток IТМ и максимально допустимое обратное напряжение UMAX.

Фотодиоды — малоинерционные фотоприемники. Инерционность их зависит от временных характеристик процесса фотогенерации носителей, условий разделения электронно-дырочных пар, емкости р-n перехода, а также сопротивления нагрузки. В ряде случаев от фотоприбора требуется высокое быстродействие (несколько наносекунд и менее). Такие приборы необходимы в оптических линиях связи, системах воспроизведения звука с компакт-дисков и др. В подобных устройствах применяют фотодиоды структуры p-i-n (i — диэлектрик) и лавинные фотодиоды.

Рис. 3

p–i–n фотодиоды. Структурная схема p-i-n фотодиода показана на Рис.3.а. На подложке с проводимостью n+ сформирован слаболегированный i- слой и слой с проводимостью р+ толщиной до 0,3 мкм. При подаче обратного смещения обедненным оказывается весь i- слой. В результате емкость перехода уменьшается, расширяется область поглощения падающего излучения и повышается чувствительность прибора. Поглощаемое излучение в структуре затухает по экспоненте (см. Рис.3) в зависимости от коэффициента поглощения и вызывает появление фото возбужденных носителей. Электрическое поле обедненного слоя (напряженность поля больше или равна 103 В/см) ускоряет их до скорости насыщения дрейфа (около 107 см/с). Эту область называют пространством дрейфа.

За пределами обедненного слоя движение носителей носит диффузионный характер с относительно низкой скоростью — примерно 104 см/с. Это обстоятельство ухудшает быстродействие. Для его повышения необходимо сконцентрировать поглощение излучения в обедненном слое. С этой целью слой р+ делают очень тонким, а толщину слоя i — большей длины поглощения излучения . Длина поглощения для кремния на длине волны 0,8 мкм равна примерно 10…20 мкм и рабочее напряжение, при котором обедненный слой имеет требуемую ширину, не превышает 10…20 В.

Рис. 4

Лавинные фотодиоды (ЛФД). ЛФД (см. Рис.3.б) работают при обратных напряжениях смещения достаточных для размножения носителей. По сравнению с p – i – n фотодиодами они обладают внутренним усилением и в силу этого имеют большую чувствительность при приеме более слабых сигналов. ЛФД изготавливаются на основе Ge, Si, соединений группы АIIIBV и других полупроводников. При выборе материала фотодиода определяющими параметрами являются квантовая эффективность в заданном спектральном диапазоне, быстродействие и шумы. Германиевые ЛФД обеспечивают высокую квантовую эффективность в спектральном диапазоне 1…1,6 мкм, а кремниевые – особенно эффективны на длинах волн 0,6…1 мкм. В лавинном фотодиоде излучение поглощается в обедненном слое. Для создания ударной ионизации фотовозбужденными носителями рядом с р-n переходом формируют область с высокой напряженностью электрического поля (более 105 В/см), в которой происходит лавинное умножение носителей. Коэффициент умножения М при напряжении смещения близком к напряжению пробоя, может достигать 1000. М — показывает во сколько раз увеличивается ток оптически генерируемых носителей. Для кремния эта зависимость представлена на Рис.4. Однако это значение зависит и от температуры. Температурный коэффициент изменения напряжения пробоя до 0,2%/°С. Проектируя цепь смещения лавинного фотодиода, необходимо предусмотреть меры, устраняющие влияние этого фактора.

Рис. 5

На Рис.5.а, б схематически показана конструкция p-i-n и лавинного фотодиода соответственно. Где: 1. – просветляющее покрытие; 2. – металлические контакты; 3. – окись кремния SiO2; 4. – охранное кольцо; 5. – подложка.

Для уменьшения отражения света от поверхности диода ее покрывают пленкой 1. По периметру рабочей поверхности формируют защитное кольцо 2, позволяющее повышать напряжение пробоя. Оптимально выбранные размеры элементов прибора дают возможность получать весьма хорошие параметры. При напряжении 100…150 В быстродействие лавинного фотодиода оказывается равным примерно 0,3 нс.

Рис.6

На Рис.6 показана эквивалентная схема фотодиода, где R1 – последовательное сопротивление, моделирующее сопротивление базы, C – емкость p – n перехода, R2 – внутреннее сопротивление p – n перехода. Быстродействие ограничено временем пробега фотовозбужденных носителей и постоянной времени =R1C(1+R1/R2). Время пробега носителей при скорости 107 см/с и ширине обедненного слоя 100 мкм примерно 1нс. При меньшей ширине обедненного слоя может быть достигнута граничная частота до нескольких гигагерц. Емкость диода — 1…2пФ (сумма паразитной емкости корпуса и емкости перехода). Если сопротивление нагрузки принять равным 50 0м, то постоянная времени t=0,05…0,1нс.

Темновой ток (протекающий через диод независимо от фототока) представляет собой сумму обратного тока и тока поверхностной утечки. Он вызывает дробовой шум. У кремниевых фотодиодов темновой ток мал (около 10-12 А), поэтому и уровень шума относительно невысок. Шумовые характеристики германиевых приборов заметно хуже.

Если мощность падающего излучения равна РО, то соответствующее число падающих фотонов будет РО/h и фототок

(5)

где — квантовый выход, e — заряд электрона, h — постоянная Планка, — частота.

При этом квантовый выход определяется соотношением:

Рис. 7

(6)

где R — коэффициент отражения потока от рабочей поверхности прибора; Lа — ширина области поглощения света; — коэффициент поглощения

На Рис.7 представлена зависимость квантового выхода от длины волны излучения для германия и кремния. Границу чувствительности в области длинных волн определяет ширина запрещенной зоны материала, а падение чувствительности в области коротких волн — уменьшение длины поглощения вблизи поверхности и поверхностная рекомбинация фотовозбужденных носителей. Конструкция и схема включения фотодиода показана на Рис.8.а, б где: а — конструкция, б — схема включения фотодиода. Пластина 1 из монокристалла германия с электропроводимостью n- типа закреплена с помощью кристаллодержателя 2 в коваровом корпусе 3. Эта пластинка является базой фоточувствительного элемента и располагается против окна, закрытого стеклянной собирающей линзой 10. Электронно-дырочный переход образован вплавлением в пластину германия капли индия 8 — сплавной переход. При сплавлении индия с германием в результате диффузии индия в прилегающей области германия образуется слой с электропроводимостью p- типа. Вывод 4 от индиевого электрода пропущен через коваровую трубку 5, закрепленную стеклянным изолятором 6 в ножке 7 корпуса. Другим электродом является корпус фотодиода, так как кристалл германия припаян к кристаллодержателю оловянным кольцом 9. Для защиты p-n перехода от воздействия окружающей среды корпус фотодиода герметизирован. Наибольшее распространение получили фотодиоды на основе германия и кремния. Так же используют полупроводниковые соединения элементов групп AII BV и AII BVI (GaAs, InAs, InSb, InP, CdS, CdTe, HgCdTe и др.) Фотодиоды применяются в качестве приемников лазерных лучей в звуковоспроизводящей аппаратуре.

Рис. 8

Параметры фотодиодов. Фотодиоды, изготовленные на основе кремния, работают в интервале длин волн 0,5…1,1 мкм. Фотодиоды на основе германия работают в интервале длин волн 0,5…1,9 мкм.

Большинство фотодиодов выпускают в герметичных металлостеклянных корпусах. Фотодиод ФД-1 выпускают в металлокерамическом корпусе, фотодиод ФД-2 — в пластмассовом корпусе. Плюсовый вывод фотодиодов маркируют на корпусе знаком «+», точкой или цветной меткой на вводе. Для ввода оптического излучения на фоточувствительный элемент в корпусе фотодиода встраивают входные окна, линзы, световоды и другие оптические элементы. Без входного встроенного оптического элемента выпускается фотодиод ФД-20-ЗОК. Фотодиоды ФД20-32К и ФД-20-ЗОК имеют по два фоточувствительных элемента ФД-19К, ФД-20КП, ФД-22КП и ФД-20-ЗЗК-по четыре. Фотодиод ФД-246 имеет 64 фоточувствительных элемента. Фотодиод ФД-К-142 имеет координатно-чувствительный квадратный четырехэлементный оптический вход.

Применение фотодиодов

Фотодиоды P−n используются в аналогичных применениях с другими фотоприемниками , такими как фотопроводники , приборы с зарядовой связью и фотоумножители . Они могут использоваться для генерации выходного сигнала, который зависит от освещения (аналоговый; для измерения и т.п.), или для изменения состояния схемы (цифровой; либо для управления и коммутации, либо для цифровой обработки сигналов ).

Фотодиоды используются в устройствах бытовой электроники, таких как проигрыватели компакт-дисков , детекторы дыма , медицинские приборы [16] и приемники для инфракрасных устройств дистанционного управления, используемых для управления оборудованием от телевизоров до кондиционеров. Для многих применений могут использоваться либо фотодиоды, либо фоторезисторы . Любой тип фотодатчика можно использовать для измерения освещенности, например, в измерителях освещенности камеры , или для реагирования на уровни освещенности, например, при включении уличного освещения после наступления темноты.

Фотодатчики всех типов могут использоваться для реагирования на падающий свет или источник света, который является частью той же схемы или системы. Фотодиод часто объединяется в один компонент с излучателем света, обычно светодиодом (LED), либо для обнаружения наличия механического препятствия для луча ( щелевой оптический переключатель ), либо для соединения двух цифровых или аналоговых цепи при сохранении чрезвычайно высокой электрической изоляции между ними, часто для обеспечения безопасности ( оптопара ). Комбинация светодиодов и фотодиодов также используется во многих сенсорных системах для характеристики различных типов продуктов на основе их оптического поглощения .

Фотодиоды часто используются для точного измерения интенсивности света в науке и промышленности. Они обычно имеют более линейный отклик, чем фотопроводники.

Они также широко используются в различных медицинских приложениях, таких как детекторы для компьютерной томографии (в сочетании со сцинтилляторами ), инструменты для анализа образцов ( иммуноанализ ) и пульсоксиметры .

PIN-диоды намного быстрее и более чувствительны, чем p-n-переходные диоды, и, следовательно, часто используются для оптической связи и в регулировании освещения.

Фотодиоды P–n не используются для измерения очень низкой интенсивности света. Вместо этого, если требуется высокая чувствительность, лавинные фотодиоды , устройства с усиленной зарядовой связью или фотоумножители используются для таких применений, как астрономия , спектроскопия , приборы ночного видения и лазерное дальномеризация .

На этом все! Теперь вы знаете все про Фотодиод, Помните, что это теперь будет проще использовать на практике. Надеюсь, что теперь ты понял что такое Фотодиод,Фотодиоды и для чего все это нужно, а если не понял, или есть замечания, то нестесняся пиши или спрашивай в комментариях, с удовольствием отвечу. Для того чтобы глубже понять настоятельно рекомендую изучить всю информацию из категории Электроника, Микроэлектроника , Элементная база

Фотодиоды свойства, схемы включения, применение. Фотоэлектронные приборы. Принцип работы, основные параметры и характеристики фотодиода

Фоторезистор
ИМХО вымирающий вид. Последний раз я его видел еще в детстве. Обычно представляет собой такой металический кругляк со стеклянным окошком, в котором видна этакая . При освещении его сопротивление падает, правда незначительно, раза в три четыре.

Фототранзистор
Последнее время я на них натыкаюсь постоянно, неиссякаемый источник фототранзисторов — пятидюймовые дисководы. Последний раз я, по цене грязи, надыбал на радио барахолке штук 5 платок от дисковертов, там светотранзисторы стоят напротив дырок контроля записи и вращения дискеты. Еще сдвоенный фототранзистор (а может и фотодиод, как повезет) стоит в обычной шариковой мышке.
Выглядит как обычный светодиод, только корпус прозрачный. Впрочем, светодиоды тоже такие же бывают так что перепутать кто из них кто раз плюнуть. Но это не беда, партизан легко вычисляется обычным мультиметром. Достаточно включить омметр между его эмитером и коллектором (базы у него нет) и посветить на него, как его сопротивление рухнет просто катастрофически — с десятков килоом до считанных ом. Тот который у меня в детекторе вращения шестерен в роботе меняет свое сопротивление с 100кОм до 30 Ом. Работает фототранзистор подобно обычному — держит ток, но в качестве управляющего воздействия тут не ток базы, а световой поток.

Фотодиод
Внешне ничем не отличается от фототранзистора или обычного светодиода в прозрачном корпусе. Также порой встречаются древние фотодиоды в металлических корпусах. Обычно это совковые девайсы, марки ФД-чето там. Такой металлический цилиндрик с окошком в торце и торчащими из задницы проводками.

В отличии от фототранзистора, может работать в двух разных режимах. В фотогальваническом и фотодиодном.
В первом, фотогальваническом, варианте фотодиод ведет себя как солнечная батарейка, то есть посветил на него — на выводах возникло слабенькое напряжение. Его можно усилить и применить =). Но куда проще работать в фотодиодном режиме. Тут мы подаем на фотодиод обратное напряжение. Поскольку он хоть и фото, но диод, то в обратную сторону напряжение не пойдет, а значит его сопротивление будет близко к обрыву, а вот если его засветить, то диод начнет очень сильно подтравливать и сопротивление его будет резко падать. Причем резко, на пару порядков, как у фототранзистора.

Спектр
Кроме типа прибора у него еще есть рабочий спектр. Например, фотодетектор заточенный на инфракрасный спектр (а их большинство) практически не реагирует на свет зеленого или синего светодиода. Плохо реагирует на лампу дневного света, но хорошо реагирует на лампу накаливания и красный светодиод, а уж про инфракрасный и говорить нечего. Так что не удивляйся если у тебя фотодатчик плохо реагирует на свет, возможно ты со спектром ошибся.

Подключение
Теперь пора показать как это подключить к микроконтроллеру. С фоторезистором все понятно, тут заморочек нет никаких — берешь и подцепляешь как по схеме.
С фотодиодом и фототранзистором сложней. Надо определить где у него анод/катод или эмитер/коллектор. Делается это просто. Берешь мультиметр, ставишь его в режим прозвонки диодов и цепляешься на свой датчик. Мультиметр в этом режиме показывает падение напряжения на диоде/транзисторе, а падение напряжения тут в основном зависит от его сопротивления U=I*R. Берешь и засвечиваешь датчик, следя за показаниями. Если число резко уменьшилось, значит ты угадал и красный провод у тебя на катоде/коллекторе, а черный на аноде/эмитторе. Если не изменилось, поменяй выводы местами. Если не помогло, то либо детектор дохлый, либо ты пытаешься добиться реакции от светодиода (кстати, светодиоды тоже могут служить детекторами света, но там не все так просто. Впрочем, когда будет время я покажу вам это технологическое извращение).


Теперь о работе схемы, тут все элементарно. В затемненном состоянии фотодиод не пропускает ток в обратном направлении, фототранзистор тоже закрыт, а у фоторезистора сопротивление весьма высоко. Сопротивление входа близко к бесконечности, а значит на входе будет полное напряжение питания aka логическая единица. Стоит теперь засветить диод/транзистор/резистор как сопротивление резко падает, а вывод оказывается посажен наглухо на землю, ну или весьма близко к земле. Во всяком случае сопротивление будет куда ниже 10кОмного резистора, а значит напряжение резко пропадет и будет где то на уровне логического нуля. В AVR и PIC можно даже резистор не ставить, вполне хватит внутренней подтяжки. Так что DDRx=0 PORTx=1 и будет вам счастье. Ну а обратывать это как обычную кнопку. Единственная сложность может возникнуть с фоторезистором — у него не настолько резко падает сопротивление, поэтому до нуля может и не дотянуть. Но тут можно поиграть величиной подтягивающего резистора и сделать так, чтобы изменения сопротивления хватало на переход через логический уровень.

Если надо именно измерять освещенность, а не тупо ловить светло/темно, то тогда надо будет подцеплять все на АЦП и подтягивающий резистор делать переменным, для подстройки параметров.

Есть еще продвинутый тип фотодатчиков — TSOP там встроенный детектор частоты и усилитель, но о нем я напишу чуть попозже.

З.Ы.
У меня тут некоторые запарки, поэтому сайт будет сильно тупить с обновлением, думаю это до конца месяца. Дальше надеюсь вернуться в прежний ритм.

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.

Другие материалы по теме

Анатолий Мельник

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Рис. 36. Структура фотодиода

Принцип работы фотодиода

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

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 емкостью p-n-перехода C p-n

Фотодиод может работать в двух режимах:

§ фотогальванический — без внешнего напряжения

§ фотодиодный — с внешним обратным напряжением

Особенности:

§ простота технологии изготовления и структур

§ сочетание высокой фоточувствительности и быстродействия

§ малое сопротивление базы

§ малая инерционность

Параметры и характеристики фотодиодов

Параметры:

чувствительность

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

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

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

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

Характеристики:

вольт-амперная характеристика (ВАХ)

зависимость выходного напряжения от входного тока. U Φ=f (I Φ)

спектральные характеристики

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

световые характеристики

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

постоянная времени

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

темновое сопротивление

сопротивление фотодиода в отсутствие освещения.

Инерционность

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

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

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

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

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

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

Пусть вначале световой поток равен нулю, тогда ВАХ фотодиода фактически повторяет ВАХ обычного диода. Если световой поток не равен нулю, то фотоны, проникая в область p-n–перехода, вызывают генерацию пар электрон-дырка. Под действием электрического поля p-n–перехода носители тока движутся к электродам (дырки – к электроду слоя p, электроны – к электроду слоя n). В результате между электродами возникает напряжение, которое возрастает при увеличении светового потока. При положительном напряжении анод-катод ток диода может быть отрицательным (четвертый квадрант характеристики). При этом прибор не потребляет, а вырабатывает энергию.

Рис. 6.8. Вольт-амперные характеристики фотодиода

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

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

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

Рис. 6.9 Рис. 6.10

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

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

Различают два режима работы фотодиода.

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

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

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

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

Теория для начинающих

Обсудить статью ФОТОДИОДЫ

radioskot.ru

описание принципа работы, схема, характеристики, способы применения

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

Принцип работы фотодиодов

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

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

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

Схема фотодиода

Режимы работы

Фотодиоды разделяют по режиму функционирования.

Режим фотогенератора

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

Режим фотопреобразования

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

Основные параметры

Свойства фотодиодов определяют следующие характеристики:

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

Из чего состоит фотодиод?

Разновидности фотодиодов

P-i-n

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

Лавинные

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

С барьером Шоттки

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

С гетероструктурой

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

Области применения фотодиодов

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

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

www.radioelementy.ru

Фотодиоды

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

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

Рис. 17.6. Фотодиод:

а — условное графическое обозначение; б – структура; в – внешний вид

Простейший фотодиод представляет собой обычный полупроводниковый диод, в котором обеспечивается возможность воздействия оптического излучения на р-n переход. В равновесном состоянии, когда поток излучения полностью отсутствует, концентрация носителœей, распределœение потенциала и энергетическая зонная диаграмма фотодиода полностью соответствуют обычному p-n переходу (см. рис. 1.3).

При воздействии излучения в направлении, перпендикулярном плоскости p-n перехода, в результате поглощения фотонов с энергией, большей, чем ширина запрещенной зоны, в n области возникают электронно-дырочные пары. Эти электроны и дырки называют фотоносителями. При диффузии фотоносителœей вглубь n области основная доля электронов и дырок не успевает рекомбинировать и доходит до границы p-n перехода. Здесь фотоносители разделяются электрическим полем p-n перехода, причем дырки переходят в p область, а электроны не могут преодолеть поле перехода, и скапливаются у границы p-n перехода и n области. Τᴀᴋᴎᴍ ᴏϬᴩᴀᴈᴏᴍ, ток через p-n переход обусловлен дрейфом небазовых носителœей – дырок. Дрейфовый ток фотоносителœей принято называть фототоком.

Фотоносители – дырки заряжают p область положительно относительно n области, а фотоносители – электроны – n область отрицательно по отношению к p области. Возникающая разность потенциалов принято называть фото ЭДС Eф. Генерируемый ток в фотодиоде – обратный, он направлен от катода к аноду, причем его величина тем больше, чем больше освещенность.

Фотодиоды могут работать в одном из двух режимов – с внешним источником электрической энергии (режим преобразователя), либо без внешнего источника электрической энергии (режим генератора).

При работе фотодиода в режиме преобразователя на него подают обратное напряжение (рис. 17.7, а). Используются обратные ветви ВАХ фотодиода при различных уровнях освещенности Ф, Ф1, Ф2 (рис. 17.7, б).

Учитывая зависимость отуровня освещённости изменяется обратный ток фотодиода, и на резисторе нагрузки изменяется напряжение. В системах желœезнодорожной автоматики по такой схеме включён германиевый фотодатчик в приборах обнаружения нагретой буксы (германий чувствителœен к ИК лучам, а кремний – к видимому свету).

Рис. 17.7. Работа фотодиода в режиме фотопреобразователя:

а – схема включения; б – вольтамперные характеристики

Фотодиоды, работающие в режиме генератора, используют в качестве источников питания, преобразующих энергию солнечного излучения в электрическую. Οʜᴎ называются солнечными элементами и входят в состав солнечных батарей. Выходное напряжение солнечной батареи сильно зависит от уровня освещённости. Чтобы получить стабильное напряжение в нагрузке, солнечную батарею используют совместно с аккумулятором. Схема солнечно-аккумуляторной батареи представлена на рис. 17.8.

Рис. 17.8. Принципиальная схема солнечно-аккумуляторной батареи

При максимальной освещённости солнечная батарея питает нагрузку и заряжает аккумулятор. Размещено на реф.рфВ темноте нагрузка питается только от аккумулятора, а чтобы аккумулятор не разряжался на солнечную батарею, в схеме установлен диод VD1.

КПД кремниевых солнечных элементов составляет около 20 %. Важными техническими параметрами солнечных батарей являются отношения их выходной мощности к массе и площади, занимаемой солнечной батареей. Эти параметры достигают значений 200 Вт/кг и 1 кВт/м2 соответственно.

Более подробные сведения о фотодиодах приведены в литературе .

Читайте также

  • — Фоторезисторы и фотодиоды. Устройство, принцип действия

    Лекция 14 Фоторезисторами называют полупроводниковые приборы, принцип действия которых основан на изменение сопротивления полупроводника под действием светового излучения. На рис.7.31 показано устройство фоторезистора, состоящего из диэлектрической подложки 1,… [читать подробнее].

  • — Фотодиоды

    Фотодиодами называют полупроводниковые диоды, в которых осуществляется управление величиной обратного тока с помощью света. Фотодиод устроен так, что в нем обеспечивается доступ света к — переходу. В отсутствие светового потока в фотодиоде при обратном напряжении… [читать подробнее].

  • — Фотодиоды и светодиоды

    Рис. 9. Фотодиод в режиме фотосопротивления Фотодиод в режиме фотосопротивления и его ВАХ показаны на рис. 9. К фотодиоду от источника ЭДС прикладывается обратное напряжение, поэтому его переход закрыт. Если поток равен нулю, то обратный ток через фотодиод примерно… [читать подробнее].

  • — Фотодиоды

    Фотодиод – полупроводниковый фотоэлектрический прибор с внутренним фотоэффектом, отображающим процесс преобразования световой энергии в электрическую. Внутренний фотоэффект заключается в том что под действием энергии светового излучения в области p – n – перехода… [читать подробнее].

  • — Фотодиоды

    Фотодиодом называют фотогальванический приёмник с электронно-дырочным переходом, облучение которого светом вызывает увеличение силы обратного тока. Материалом полупроводника фотодиода обычно выступает кремний, сернистое серебро, сернистый таллий или арсенид галлия…. [читать подробнее].

  • — Фотоприемные устройства. Фотоэффект. ПЗС и ФЭУ. Фотодиоды.

    Фотоприемники. В сканерах плоскостного и проекционно­го типов применяются приборы с зарядовой связью (ПЗС), а в барабанных — фотоэлектронные умножители и фотодиоды. Иногда бывает наоборот. Работа ПЗС основана на свойстве конденсаторов МОП-струк­туры (металл — оксид -… [читать подробнее].

  • — Фотодиоды

    Фотодиод имеет структуру обычного p-n- перехода. Обратный ток фотодиода зависит от уровня освещенности. Фотодиоды помещаются в металлический корпус с прозрачным окном. Условное графическое изображение фотодиода и его схема замещения приведены на рис.3.11. На рис.3.12… [читать подробнее].

  • referatwork.ru

    Фотодиоды | Техника и Программы

    Принцип действия фотодиода

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

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

    Характеристики фотодиодов

    Свойства фотодиода можно охарактеризовать следующими характеристиками:

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

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

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

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

    Темновое сопротивление — сопротивление фотодиода в отсутствие освещения.

    Интегральная чувствительность определяется формулой:

    где 1ф — фототок, Ф — освещенность.

    Инерционность

    Существует три физических фактора, влияющих на инерционность:

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

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

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

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

    Расчет КПД фотодиода и мощности

    КПД вычисляется по формуле:

    где Росв — мощность освещенности; I — сила тока;

    U — напряжение на фотодиоде.

    Расчет мощности фотодиода иллюстрирует рис. 2.12 и таблица 2.1.

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

    Максимальная мощность фотодиода соответствует максимальной площади данного прямоугольника.

    Таблица 2.1. Зависимость мощности от КПД

    Мощность освещенности, мВт

    Сила тока, мА

    Напряжение, В

    Применение фотодиода в олтоэлектронике

    Фотодиод является составным элементом во многих сложных оптоэлектронных устройствах:

    Оптоэлектронные интегральные микросхемы.

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

    Многоэлементные фотоприемники.

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

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

    Как происходит восприятие образов?

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

    Применение фотоприемников

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

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

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

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

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

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

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

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

    ИК спектра

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

    Таблица 2.2. Излучающие диоды инфракрасного спектра

    Мощность излучения, мВт

    Длина волны, мкм

    Ширина спектра, мкм

    Напряжение на приборе, В

    Угол излучения, град

    нет данных

    нет данных

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

    Параметр времени спада импульса tcnM3J1 аналогичен предыдущему.

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

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

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

    nauchebe.net

    Фотодиод — это… Что такое Фотодиод?

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

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

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

    Описание

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

    Принцип работы:

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

    Фотодиод может работать в двух режимах:

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

    Особенности:

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

    Параметры и характеристики фотодиодов

    Параметры:

    • чувствительность отражает изменение электрического состояния на выходе фотодиода при подаче на вход единичного оптического сигнала. Количественно чувствительность измеряется отношением изменения электрической характеристики, снимаемой на выходе фотоприёмника, к световому потоку или потоку излучения, его вызвавшему. ; — токовая чувствительность по световому потоку; — вольтаическая чувствительность по энергетическому потоку
    • шумы помимо полезного сигнала на выходе фотодиода появляется хаотический сигнал со случайной амплитудой и спектром — шум фотодиода. Он не позволяет регистрировать сколь угодно малые полезные сигналы. Шум фотодиода складывается из шумов полупроводникового материала и фотонного шума.

    Характеристики:

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

    Классификация

    • В p-i-n структуре средняя i-область заключена между двумя областями противоположной проводимости. При достаточно большом напряжении оно пронизывает i-область, и свободные носители, появившееся за счет фотонов при облучении, ускоряются электрическим полем p-n переходов. Это дает выигрыш в быстродействии и чувствительности. Повышение быстродействия в p-i-n фотодиоде обусловлено тем, что процесс диффузии заменяется дрейфом электрических зарядов в сильном электрическом поле. Уже при Uобр≈0.1В p-i-n фотодиод имеет преимущество в быстродействии.
    Достоинства: 1) есть возможность обеспечения чувствительности в длинноволновой части спектра за счет изменения ширины i-области. 2) высокая чувствительность и быстродействие 3) малое рабочее напряжение Uраб Недостатки: сложность получения высокой чистоты i-области
    • Фотодиод Шоттки (фотодиод с барьером Шоттки) Структура металл-полупроводник. При образовании структуры часть электронов перейдет из металла в полупроводник p-типа.
    • Лавинный фотодиод
    • В структуре используется лавинный пробой. Он возникает тогда, когда энергия фотоносителей превышает энергию образования электронно-дырочных пар. Очень чувствительны. Для оценки существует коэффициент лавинного умножения: Для реализации лавинного умножения необходимо выполнить два условия: 1) Электрическое поле области пространственного заряда должно быть достаточно большим, чтобы на длине свободного пробега электрон набрал энергию, большую, чем ширина запрещённой зоны: 2) Ширина области пространственного заряда должна быть существенно больше, чем длина свободного пробега: Значение коэффициентов внутреннего усиления составляет M=10-100 в зависимости от типа фотодиодов.
    • Фотодиод с гетероструктурой Гетеропереходом называют слой, возникающий на границе двух полупроводников с разной шириной запрещённой зоны. Один слой р+ играет роль «приёмного окна». Заряды генерируются в центральной области. За счет подбора полупроводников с различной шириной запрещённой зоны можно перекрыть весь диапазон длин волн. Недостаток — сложность изготовления.

    Фотодиоды и фотопроводники

    Фотодиоды. Принцип действия

    Фотодиод работает подобно обыкновенному сигнальному диоду. Отличие заключается в том, что фотодиод генерирует фототок, когда свет поглощается в области переходного слоя полупроводника. Это устройство обладает высокой квантовой эффективностью, а потому находит применение в решении многих задач.

    При работе с фотодиодами необходимо точно определить значения выходного тока и учесть чувствительность к падающему свету. На рисунке 1 показана схема фотодиода, состоящая из основных компонентов.

    Рисунок 1. Простейшая модель фотодиода. Photodetector — фотодетектор. Junction capacitance — емкость перехода. Series resistance – последовательное сопротивление. Shunt resistance – шунтирующее сопротивление. Load resistance – сопротивление нагрузки

    Терминология

    Чувствительность

    Чувствительность фотодиода может быть определена как отношение генерируемого фототока (IPD) к мощности падающего света (P) на заданной длине волны:

    Режим работы

    Фотодиоды могут работать в одном из двух режимов – без внешнего источника электрической энергии (режим фотогенератора) либо с внешним источником электрической энергии (режим фотопреобразователя). Выбор режима зависит от требований к скорости работы и количества допустимого темнового тока (тока утечки).

    Режим фотопреобразователя

    В режиме фотопреобразователя применяется внешнее обратное смещение, которое заложено в основе детекторов серии DET. Ток в контуре определяет освещенность устройства; выходной ток линейно пропорционален входной оптической мощности. Применение обратного смещения увеличивает ширину обедненного перехода, создавая повышенную чувствительность и уменьшая емкость перехода. Таким образом возникают линейные зависимости некоторых величин. Работа в этих условиях, как правило, приводит к увеличению темнового тока; но на это влияет и сам материал фотодиода. (Примечание: детекторы DET работают в режиме обратного направления)

    Режим фотогенератора

    В фотогальваническом режиме смещение равняется нулю. Ток от устройства ограничен, напряжение в цепи возрастает. В основе этого режима заложен фотогальванический эффект — на нем же работают солнечные батареи. Количество темнового тока при работе в фотогальваническом режиме минимально.

    Темновой ток

    Темновым током называют ток утечки, который возникает при приложении напряжения смещения к фотодиоду. При работе в режиме фотопреобразователя наблюдается увеличение темнового тока, и его зависимость от температуры. Теоретически темновой ток удваивается при каждом повышении температуры на 10°C, а сопротивление шунта удваивается при повышении на 6°C. Конечно, большее смещение может уменьшить емкость перехода, но количество присутствующего тока утечки при этом увеличится.

    На темновой ток также влияет материал фотодиода и размер активной области. Обычно кремниевые фотодиоды создают низкий темновой ток по сравнению с устройствами из германия. В приведенной ниже таблице перечислены некоторые материалы, используемые в производстве фотодиодов и их относительные темновые токи, скорость, чувствительность и стоимость.

    Материал

    Темновой ток

    Скорость

    Спектральный диапазон

    Стоимость

    Силикон (Si)

    Низкий

    Высокая

    От видимого диапазона до ближней ИК

    Низкая

    Германий (Ge)

    Высокий

    Низкая

    Ближняя ИК область

    Низкая

    Фосфид галлия (GaP)

    Низкий

    Высокая

    От УФ до видимой области

    Варьируется

    Арсенид галлия (InGaAs)

    Низкий

    Высокая

    Ближняя ИК область

    Варьируется

    Антимонид арсенида индия (InAsSb)

    Высокий

    Низкая

    От ближней до средней ИК области

    Высокая

    Энзимы арсенида галлия (InGaAs)

    Высокий

    Высокая

    Ближняя ИК область

    Высокая

    Теллурид кадмия ртути (MCT, HgCdTe)

    Высокий

    Низкий

    От ближней до средней ИК области

    Высокая

     

    Емкость перехода

    Емкость перехода (Cj) является важной характеристикой фотодиода, так как от этого зависит ширина полосы пропускания и чувствительность фотодиода. Следует отметить, что большие площади полупроводников охватывают большую часть соединения и увеличивают зарядную емкость. При применении метода обратного смещения ширина полосы обеднения увеличивается, из-за чего снижается емкость заряда и увеличивается скорость работы.

     

    Ширина полосы пропускания и отклик

    Сопротивление нагрузки будет взаимодействовать с емкостью перехода фотоприемника, ограничивая таким образом полосу пропускания. Для наилучшего частотного отклика необходимо использовать ограничитель в 50 Ом в сочетании с коаксиальным кабелем на 50 Ом. Полоса пропускания (fBW) и время нарастания (tr) теоретически вычисляются через значения емкости перехода (Cj) и сопротивления нагрузки (RLOAD):

    Эквивалентная мощность шумов

    Эквивалентная мощность шумов (NEP) создается напряжением RMS-сигнала, когда отношение сигнал-шум равно (или близко) к единице. Это свойство необходимо, поскольку эквивалентная мощность шумов определяет способность детектора обнаруживать слабое излучение. Эквивалентная мощность шумов прямо пропорциональна активной площади детектора и определяется следующим уравнением:

    Где S/N – отношение сигнал-шум, Δf – ширина полосы шума, и энергия возбуждения измеряется в Вт/см2.

     

    Термическое сопротивление

    Сопротивление нагрузки используется для преобразования генерируемого фототока в выходное напряжение (VOUT) для отображения на осциллографе:

    В зависимости от типа фотодиода сопротивление нагрузки может влиять на скорость срабатывания. Для максимальной пропускной способности рекомендуется использовать коаксиальный кабель на 50 Ом с подходящим резистором на 50 Ом, расположенном на противоположном конце кабеля. Сопоставляя кабель с его характеристическим импедансом можно свести к минимуму вызывной сигнал. Если пропускная способность не важна, можно увеличить напряжение для данного уровня освещенности, увеличив сопротивление нагрузки (RLOAD). При неверном расчете длина коаксиального кабеля может повлиять на итог эксперимента, поэтому рекомендуется выбирать кабель как можно более короткий.

     

    Шунтирующее сопротивление

    Сопротивление шунта представляет собой сопротивление нулевого смещения фотодиодного перехода. Идеальный фотодиод имеет бесконечное сопротивление шунта, но реальные значения могут варьироваться от десятка Ω до тысяч MΩ, а кроме того, шунтирующее сопротивление зависит от материала фотодиода. Например, детектор на основе арсенида галлия имеет шунтирующее сопротивление порядка 10 МОм, а германиевый детектор — в диапазоне до килоОм. Таким образом можно регулировать шумовой ток на фотодиоде. Тем не менее, для большинства задач высокая сопротивляемость оказывает малое влияние и обычно игнорируется.

     

    Последовательное сопротивление

    Последовательное сопротивление — это сопротивление полупроводникового материала, обычно им пренебрегают Последовательное сопротивление возникает из-за химических связей внутри фотодиода и используется в основном для определения линейности зависимостей некоторых характеристик фотодиода в условиях нулевого смещения.

     

    Общие принципы работы

    Рисунок 2. Схема обратного смещения (DET детекторы). Protection diode – защитный диод. Photodetector — фотоприемник. Voltage regulator – регулятор напряжения. C filter – RC-фильтр. V Bias – V-смещение

     

    Детекторы серии DET основаны на схеме, изображенной выше. Детектор работает в режиме обратного направления, таким образом обеспечивается линейная зависимость чувствительности от приложенного света. Количество создаваемого фототока также зависит от падающего свете и длины волны. Эти данные можно вывести на осциллограф путем присоединения сопротивления нагрузки на выходе. Функция RC-фильтра состоит в том, чтобы с помощью него отделить любой высокочастотный шум, исходящий от сигнала источника питания.

    Рисунок 3. Схема фотоприемника с усилителем. Transimpedance Amp – управляемый током усилитель напряжения. Feedback – обратная связь

    Можно также использовать фотоприемник с усилителем, чтобы достичь высокого коэффициента усиления. Пользователь может выбрать режим работы. У каждого режима есть ряд преимуществ:

     

    Влияние на частоту модуляции

    Сигнал фотокондуктора будет оставаться постоянным до предельного времени отклика. Многие детекторы, включая устройства на PbS, PbSe, HgCdTe (MCT) и InAsSb, имеют спектр шума 1 / f (т. е. шум уменьшается с увеличением частоты модуляции), что существенно влияет на время отклика на более низких частотах.

    Детектор будет проявлять меньшую чувствительность на более низких частотах модуляции.

    Частота и обнаружение максимальны при:

     

    PbS —  и PbSe – фотокондуктивные детекторы

    Широко используются фотопроводящие детекторы свинцового сульфида (PbS) и селенида свинца (PbSe) для обнаружения инфракрасного излучения от 1000 до 4800 нм. В отличие от стандартных фотодиодов, которые создают ток при воздействии света, электрическое сопротивление фотопроводящего материала уменьшается при освещении светом. Хотя PbS и PbSe-детекторы могут использоваться при комнатной температуре, температурные колебания будут влиять на темновое сопротивление, чувствительность и частоту отклика.

    Рисунок 4. Базовая схема фотокондуктора. Active Area – рабочая площадь. Dark Resistance – темновое сопротивление. Ground — заземление. Bias Voltage – напряжение смещения. Output signal – выходной сигнал

     

    Принцип действия

    У фотопроводящих материалов падающий свет приводит к увеличению числа заряженных частиц в активной области, что уменьшает сопротивление детектора. Изменение сопротивления влечет к изменению регистрируемого напряжения, поэтому фоточувствительность принято выражать в единицах В / Вт. Пример рабочей схемы показан далее. Обратите внимание, что данная схема не предназначается для практических целей, так как в ней присутствует низкочастотный шум.

    Механизм обнаружения основан на проводимости тонкой пленки активной области. Выходной сигнал детектора без падающего света определяется следующим уравнением:

    В случае, когда свет попадает на активную область, изменение выходного напряжения определяется таким соотношением:

     

    Частотный отклик

    Для получения сигналов переменного тока фотопреобразователи должны подключаться в цепь, где присутствует импульсный сигнал. То есть при использовании этих детекторов в схемах с CW-источниками следует подключать оптический прерыватель. Чувствительность детектора (Rf) при использовании прерывателя рассчитывается уравнением:

    Здесь fc — частота модуляции, R0 — отклик при нулевой частоте, τr — время нарастания импульса детектора.

     

    Влияние на частоту модуляции

    Сигнал фотокондуктора будет оставаться постоянным до предельного времени отклика. Многие детекторы, включая устройства на PbS, PbSe, HgCdTe (MCT) и InAsSb, имеют спектр шума 1 / f (т. е. шум уменьшается с увеличением частоты модуляции), что существенно влияет на время отклика на более низких частотах.

    Детектор будет проявлять меньшую чувствительность на более низких частотах модуляции.

    Частота и обнаружительная способность максимальны при:

     

    Температурная устойчивость

    Обнаружители состоят из тонкой пленки на стеклянной подложке. Эффективная форма и рабочая площадь фотопроводящей поверхности могут значительно варьироваться в зависимости от условий эксплуатации. При этом рабочие характеристики прибора также меняются, в частности — чувствительность детектора изменяется в зависимости от рабочей температуры.

    Температурные характеристики запрещенных полос в соединениях PbS и PbSe отрицательны, поэтому охлаждение детектора сдвигает диапазон спектрального отклика на область более длинных волн. Для достижения наилучших результатов рекомендуется использовать фотодиоды в стабильной среде.

     

    Схема фотопроводника с усилителем

    Из-за шума, характерного для фотопроводниковых материалов, эти устройства подключают в цепи переменного тока. Шум постоянного тока, возникающий при смещении, слишком высок что негативно отражается на работе детектора.

    ИК-детекторы обычно подключаются в сети переменного тока для снижения шумов. Предусилитель необходим для поддержания стабильности и лучшей регистрации генерируемого сигнала.

    На схеме видно, что операционный усилитель установлен в участке цепи обратной связи между точками А и В. Разность между двумя входными потенциалами увеличивается и сохраняется на выходе. Также важно обратить внимание на фильтр верхних частот, блокирующий любой сигнал постоянного тока. Кроме того, сопротивление нагрузочного резистора (RLOAD) должно равняться темновому сопротивлению детектора, чтобы обеспечить получение максимального сигнала. Напряжение блока питания (+ V) должно соответствовать величине напряжения, когда отношение сигнал-шум близко к единице. Некоторые задачи требуют большего напряжения, что провоцирует возрастание шумов.

    Выходное напряжение вычисляется следующим образом:

    Рисунок 5. Feedback resistor – резистор обратной связи

     

    Отношение сигнал/шум

    Так как шум от детектора обратно пропорционален частоте модуляции, на низких частотах шум достигает наибольшего значения. Выходной сигнал детектора линейно зависит от возрастающего напряжения смещения, но влиянием шума на небольшие смещения можно пренебречь. При достижении напряжение смещения, шум детектора будет линейно увеличиваться пропорционально напряжению. Если напряжение слишком высоко, шум будет увеличиваться экспоненциально, тем самым ухудшая отношение сигнал / шум. Чтобы получить наилучшее отношение, частоту модуляции и напряжение смещения необходимо регулировать.

     

    Эквивалентная мощность шумов

    Эквивалентная мощность шумов (NEP) создается напряжением RMS-сигнала, когда отношение сигнал-шум равно единице. Это необходимо, поскольку эквивалентная мощность шумов определяет способность детектора обнаруживать малое излучение. Мощность шумов прямо пропорциональна активной площади детектора и определяется следующим уравнением:

    Где S/N – отношение сигнал-шум, Δf – ширина полосы шума, и энергия возбуждения измеряется в Вт/см2.

     

    Темновое сопротивление
    Темновое сопротивление — это сопротивление детектора без падающего света. Важно отметить, что темное сопротивление имеет тенденцию увеличиваться или уменьшаться с температурой. Охлаждение устройства увеличивает темное сопротивление.

     

    Обнаружение (D) и удельная обнаружительная способность(D*)

    Обнаружительная способность (D) — еще один критерий оценки работы фотоприемника. Это мера чувствительности, связанная обратной зависимостью с эквивалентной мощностью шума.

    Высокие значения обнаружительной способности указывают на высокую чувствительность, что особенно важно для обнаружения сигналов слабого излучения. Обнаружительная способность зависит от длины волны падающего света.

    Эквивалентная мощность шумов детектора зависит от активной области детектора, что также влияет на чувствительность. Это затрудняет определение внутренних свойств пары детекторов. Чтобы проигнорировать ненужные зависимости, для оценки работы фотоприемника используется такое понятие как удельная способность к обнаружению (D *), которая не зависит от рабочей области детектора.

     

    © Thorlabs Inc.

    Компания INSCIENCE помогает своим заказчикам решать любые вопросы и потребности по продукции Thorlabs на территории РФ

     

     

    Применение фотодиодов в оптоэлектронике

     

    Фотодиод является составным элементом во многих сложных оптоэлектронных устройствах. И поэтому он находит широкое применение во многих областях.

     

    В оптоэлектронных интегральных микросхемах фотодиод может обладать большим быстродействием, но его коэффициент усиления фототока не превышает единицы. Благодаря наличию оптической связи оптоэлектронные интегральные микросхемы обладают рядом существенных достоинств. Почти идеальная гальваническая развязка управляющих цепей при сохранении между ними сильной функциональной связи.

     

    Многоэлементные фотоприемники — это приборы сканистор, мишень кремникона, фотодиодная матрица с управлением на МОП-транзисторе, фоточувствительные приборы с зарядовой связью и другие. Они относятся к числу наиболее быстро развивающихся и прогрессирующих изделий электронной техники. Сочетая в себе успехи физики дискретных фотоприемников и новейшие технологические достижения больших интегральных схем, многоэлементные фотоприемники вооружают оптоэлектронику твердотельным «глазом», способным реагировать не только на яркостно-временные, но и на пространственные характеристики объекта, то есть воспринимать его полный зрительный образ. Для успешного выполнения этих функций необходимо, чтобы число элементарных фоточувствительных ячеек в приборе было 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). Принцип восприятия образов этими системами сводится к следующему. 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. В конечном счете, 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.

     

    Так же фотодиоды активно используются в оптронах. Оптроном называется такой оптоэлектронный прибор, в котором имеются источник и приемник излучения с тем или иным видом оптической и электрической связи между ними, конструктивно объединенные и помещенные в один корпус. В электронной схеме оптрон выполняет функцию элемента связи, в одно из звеньев которого информация передается оптически. Это основное назначение оптрона. Если между компонентами оптрона создать электрически обратную связь, то оптрон может стать активным прибором, пригодным для усиления и генерации электрических и оптических сигналов. Принципиальное отличие оптронов как элементов связи заключается в использовании для переноса информации электрически нейтральных фотонов, что обуславливает ряд достоинств оптронов, которые присущи и всем остальным оптоэлектронным приборам в целом. Хотя у оптронов есть, разумеется, и свои недостатки. Оптронная техника базируется на достижениях в области физики и технологии излучателей и фотоприемников.

     

    В повседневной жизни фотодиоды используются в таких приборах, как устройства чтения компакт-дисков, пультах дистанцианного управления, фотокамерах, различных сенсорных устройствах, использующих данную технологию. Так же фотодиоды применяются в медицинских приборах. Например в устройствах для проведения компьютерной томографии.

    15.немогу-прочитать-свой-подчерк J

    Полупроводники

    Полупроводниками называют вещества которые по способности проводить электрический токо занимают место между проводниками и диэлектриками.К классу полупроводников относятся многие из извесных веществ.

    ПОЛУПРОВОДНИКИ, в-ва, характеризующиеся увеличением электрич. проводимости с ростом т-ры. Хотя часто полупроводники определяют как в-ва с уд. электрич. проводимостью а, промежуточной между ее значениями для металлов (s ! 106 -104 Ом-1 см-1) и для хороших диэлектриков (s ! 10-12 — 10-10 Ом-1 см-1), сама величина электрич. проводимости не играет определяющей роли в полупроводниковых св-вах в-ва. На электрич. проводимость П оказывает влияние кроме т-ры сильное электрич. поле, давление, воздействие оптич. и ионизирующего излучения, наличие примесей и др. факторы, способные изменять структуру в-ва и состояние электронов. Это обстоятельство играет решающую роль в многочисленном и разнообразном использовании полупроводники

     

    Полупроводниковые св-ва могут наблюдаться как в кристаллич. в-вах, так и в неупорядоченных системах — твердых аморфных в-вах (стеклах) и жидкостях. При этом решающим является характер хим. связи между частицами в ближнем порядке (первая координац. сфера). Существуют полупроводники с любым типом хим. связи, кроме чисто металлической и чисто ионной (т.е. ковалентной, ковалентно-металлич., ковалентно-ионной и т.полупроводники), причем ковалентная составляющая связи является обычно преобладающей. Широкое практич. применение получили полупроводники, являющиеся простыми в-вами (Ge, Si и др.), а также хим. соединения элементов III гр. периодич. системы с элементами V гр., напр. GaAs, GaP, InAs, CdTe и т.полупроводники (бинарные полупроводники). Все такие в-ва имеют кристаллич. решетку, подобную решетке алмаза, и наз. алмазоподобными полупроводники В Ge и Si в кристаллич. состоянии реализуется классич. двухэлектронная ковалентная связь. образованная перекрыванием sp3-гибридных орбиталей соседних атомов (см. Гибридизация атомных орбиталей). В соответствии с симметрией sp3-гибридных орбиталей расположение атомов в первой координац. сфере отвечает правильному тетраэдру. Такова же первая координац. сфера и у алмазоподобных полупроводники, однако в их структуре каждая ковалентная связь имеет ковалентно-ионный характер из-за заметной разности электроотрицательностей соседних атомов.

     

    Повышение т-ры, а также др. внеш. воздействия (облучение светом или сильное электрич., поле) могут вызвать разрыв ковалентной связи, ионизацию атомного остова и образование своб. электрона. Этот электрон в условиях непрерывного обмена валентными электронами между атомами кристалла может переходить из ячейки в ячейку и переносить с собой отрицат. заряд, к-рый повсюду является избыточным, т.е. своб. электрон становится электроном проводимости. Недостаток электрона у разорванной ковалентной связи становится блуждающей по кристаллу дыркой, с к-рой связан единичный положит. заряд.

     

    Электроны проводимости и дырки-два типа своб. носителей заряда в полупроводники В идеальных кристаллах их концентрации равны, т.к. превращение одного из валентных электронов в электрон проводимости неизбежно вызывает появление дырки. Электропроводность полупроводники ст, обусловленная электронами атомов данного в-ва (т. наз. собственная проводимость), определяется помимо концентрации носителей п их подвижностью m-отношением скорости направленного движения, вызванного электрич. полем (дрейфовой скоростью) uдр, к напряженности поля Е:

     

    (е-элементарный электрич. заряд).

     

    Подвижность разных носителей в идеальном кристалле определяется процессами рассеяния электронов на тепловых колебаниях решетки, поэтому ц сильно зависит от т-ры. При 300 К подвижность носителей в твердых полупроводники варьируется в широких пределах от 105 см2/с до 10-3 см2/с и меньше. В реальных кристаллах при пониж. т-рах, как правило, преобладает рассеяние носителей на дефектах кристаллич. структуры.

     

    Примесная проводимость. В реальных кристаллах источниками своб. носителей заряда (носителей тока) м. б. дефекты кристаллич. структуры, напр. междоузельные атомы, вакансии, а также отклонения от стехиометрич. состава. Примеси и дефекты делятся на доноры и акцепторы. Доноры отдают в объем полупроводники избыточные электроны, создавая электронную проводимость (n-типа). Акцепторы захватывают валентные электроны собств. атомов полупроводники, в результате чего образуются дырки и возникает дырочная проводимость (р-типа). Типичными донорами в Ge и Si являются примесные атомы элементов V гр. (Р, As, Sb). В узле кристаллич решетки 4 из 5 валентных электронов такого атома образуют ковалентные связи с соседними атомами Ge или Si, а 5-й электрон оказывается слабо связанным с примесным ионом. Энергия ионизации примеси мала (~0,01 эВ в Ge и 0,04 эВ в Si), поэтому уже при 77 К в полупроводники появляются электроны проводимости в концентрации, определяемой содержанием примеси

     

    Аналогично атомы III гр. (В, Al, Ga, In)-типичные акцепторы в Ge и Si. Дырка, к-рая остается в месте захваченного примесью валентного электрона Ge или Si, очень слабо связана с примесным ионом и при не очень низких т-рах легко превращ. в своб. носитель заряда (носитель тока). Во мн. бинарных полупроводники типа AIVBVI источниками дырок являются вакансии атомов AIV, а вакансии BVI источниками электронов проводимости. Электропроводность полупроводники, определяемая электронами примесных атомов, наз. примесной проводимостью, а введение определенных примесей для получения полупроводники с разл. требуемыми св-вами-легированием полупроводники

     

    Зонная теория объясняет полупроводниковые св-ва твердых тел на основе одноэлектронного приближения и распределения электронных энергетич. уровней в виде разрешенных и запрещенных зон (см. Твердое тело). Энергетич. уровни электронов, участвующих в ковалентной связи, образуют верхнюю из заполненных разрешенных зон (валентную зону). Следующая по энергии разрешенная зона, уровни к-рой не заполнены электронами,-зона проводимости. Энергетич. интервал между «дном» Ес (минимумом энергии) зоны проводимости и «потолком» Еу (максимумом) валентной зоны наз. шириной запрещенной зоны DE (см. рис.). Для разных полупроводники ширина запрещенной зоны меняется в широких пределах. Так, при T: 0 К DE = 0,165 эВ в PbSe и 5,6 эВ в алмазе.

     

    Валентная зона (кружки с плюсом дырки) и зона проводимости (кружки с минусом-электроны проводимости): Eс-дно зоны проводимости, EV-потолок валентной зоны, DE- ширина запрещенной зоны, D и A-донорные и акцепторные уровни соответственно.

     

    Тепловое движение переносит часть электронов в зону проводимости; в валентной зоне при этом появляются дырки — квантовые состояния, не занятые электронами. Обычно электроны занимают уровни, расположенные вблизи дна Ес зоны проводимости, а дырки-уровни, расположенные вблизи потолка EV валентной зоны. Расстояния от этих уровней соотв. до Ес и ЕV порядка энергии теплового движения kТ, т. е. гораздо меньше ширины разрешенных зон (k-постоянная Больцмана). Локальные нарушения идеальности кристалла (примесные атомы, вакансии и др. дефекты) могут вызвать образование разрешенных локальных уровней энергии внутри запрещенной зоны.

     

    При т-рах вблизи О К все собств. электроны полупроводники находятся в валентной зоне, целиком заполняя ее, а примесные электроны локализованы вблизи примесей или дефектов, так что своб. носители заряда отсутствуют. С повышением т-ры тепловое движение «выбрасывает» в зону проводимости преим. электроны примесных атомов-доноров, поскольку энергия ионизации донора меньше ширины запрещенной зоны. Концентрация электронов в зоне проводимости при этом во много раз больше концентрации дырок в валентной зоне. В таких условиях электроны наз. основными носителями в полупроводники n-типа, аналогично дырки — основными носителями в полупроводники р-типа. После полной ионизации всех доноров доминирующим процессом оказывается выброс из валентной зоны в зону проводимости собств. электронов П При нек-рой т-ре их концентрация в зоне проводимости становится сравнимой с концентрацией примесных электронов, а потом и во мн. раз большей. Это температурная область собств. проводимости полупроводники, когда концентрации электронов п и дырок р практически равны.

     

    Возникновение пары электрон проводимости-дырка наз. генерацией носителей заряда. Возможен и обратный процесс-рекомбинация носителей заряда, приводящая к возвращению электрона проводимости в валентную зону и исчезновению дырки. Рекомбинация носителей может сопровождаться выделением избыточной энергии в виде излучения, что лежит в основе полупроводниковых источников света и лазеров

     

    Электроны проводимости и дырки, возникновение к-рых явилось следствием тепловых флуктуации в условиях тер-модинамич. равновесия, наз. равновесными носителями заряда. При наличии внеш. воздействия на полупроводники (освещение, облучение быстрыми частицами, наложение сильного электрич. поля) может происходить генерация носителей заряда, приводящая к появлению избыточной (относительно термодинамически равновесной) их концентрации. При появлении в полупроводники неравновесных носителей возрастает число актов рекомбинации и захвата электрона из зоны проводимости на примесный уровень в запрещенной зоне («захват» носителей). После прекращения внеш. воздействия концентрация носителей приближается к равновесному значению.

     

    p-n-Переход в полупроводники В объеме одного и того же полупроводники возможно создание двух областей с разными типами проводимости, напр. легированием донорной примесью (p-область) и акцепторной примесью (n-область). Т к. в р-области концентрация дырок выше, чем в n-области, происходит диффузия дырок из р-области (в ней остаются отрицательно заряженные акцепторные ионы) и электронов из л-области (в ней остаются положительно заряженные донорные ионы). На границе областей с р- и n-проводимостью образуется двойной слой пространств, заряда, и возникающая электрич. разность потенциалов препятствует дальнейшей диффузии осн. носителей тока. В условиях теплового равновесия полный ток через p-n-переход равен нулю. Внеш. электрич. поле нарушает равновесие, появляется отличный от нуля ток через переход, к-рый с ростом напряжения экспоненциально возрастает. При изменении знака приложенного напряжения ток через переход может изменяться в 105-106 раз, благодаря чему p-n-переход является вентильным устройством, пригодным для выпрямления переменного тока (полупроводниковый диод). На св-вах p-n-перехода основано применение полупроводники в качестве разл. рода датчиков — т-ры, давления, освещения, ионизирующих излучений (см. Радиометрия).

     

    Классификация. В соответствии с зонной теорией различие между полупроводники и диэлектриками чисто количественное — в ширине запрещенной зоны. Условно считают, что в-ва с DE > 2 эВ являются диэлектриками, с DE < 2 эВ — полупроводниками. Столь же условно деление полупроводники на узкозонные (DE < 0,1 эВ) и широкозонные. Важно, что один и тот же по хим. составу материал в зависимости от внеш. условий (прежде всего т-ры и давления) может проявлять разные св-ва. Наблюдается определенная зависимость между концентрацией электронов проводимости и устойчивостью кристаллич. структуры полупроводники В частности, алмазоподобная структура устойчива до тех пор, пока в зоне проводимости еще остаются вакантные энергетич. уровни. Если все они оказываются занятыми и имеет место вырождение энергетических уровней, первая координац. сфера, а за ней и весь кристалл претерпевают перестройку с образованием более плотной структуры, характерной для металлов. При этом концентрация электронов проводимости перестает расти с т-рой и собств. проводимость полупроводники падает. Классич. примером является олово, устойчивая полиморфная модификация к-рого (белое олово) при комнатной т-ре является металлом, а стабильное при т-рах ниже 13°С серое олово (ct-Sn)- узкозонный полупроводники С повышением т-ры и соответствующим изменением концентрации своб. электронов характерная для a-Sn алмазоподобная структура переходит в структуру с более плотной упаковкой атомов, свойственной металлам. Аналогичный переход полупроводники-металл наблюдается при высокой т-ре у Ge, Si и алмазоподобных бинарных полупроводники, к-рые при плавлении теряют полупроводниковые св-ва.\

    17.не-могу-рашифровать-подчерк J

    Полупроводниковые диоды

    В разделе «Электроника» основное внимание следует уделить полупроводниковым приборам, так как на них основана работа большинства электронных схем. Разобравшись в принципе действия этих приборов, легче понять работу схем различных радиотехнических устройств.

     

    Работа полупроводниковых диодов основана на изменении свойств p-n перехода под действием приложенного напряжения. Из курса физики известно, что примесный полупроводник, например, четырехвалентный кремний с примесью трехвалентного индия обладает так называемой дырочной проводимостью и называется полупроводником p-типа, а тот же кремний с примесью пятивалентного мышьяка обладает электронной проводимостью и называется полупроводником n-типа. При контакте полупроводников p и n типов образуется электронно-дырочный переход.

     

    Чаще всего используются два свойства электронно-дырочных переходов: выпрямляющее действие (см. вольт-амперную характеристику на рисунке 21) и расширение запирающего слоя перехода при подаче на него обратного напряжения.

     

    Выпрямительные свойства р-n перехода можно объяснить как с энергетической точки зрения (снижение или увеличение потенциального барьера для основных носителей заряда при подаче прямого или обратного напряжения на р-n переход), так и с точки зрения поведения носителей после приложения напряжения. При прямом напряжении происходит инжекция, т. е. введение носителей в противоположную область, а при обратном напряжении этот процесс прекращается практически полностью, и ток через переход становится насыщенным и равным току неосновных носителей.

     

    Расширение обедненного носителями запирающего слоя при возрастании обратного напряжения на электронно-дырочном переходе используется, например, в полевых транзисторах и варикапах. Расширение запирающего слоя происходит сильнее в область, где концентрация основных носителей меньше (меньше концентрация примесей). В полевом транзисторе с р-n переходом специально делают канал с меньшей концентрацией примесей, чем в затворе, поэтому расширение р-n перехода происходит в основном в сторону канала, что используется для изменения сопротивления канала, например, при усилении сигнала. Аналогичным образом поступают при изготовлении биполярных транзисторов.

     

    При анализе работы приборов с р-n переходом следует помнить, какая полярность приложенного напряжения будет прямой, а какая – обратной. Предлагается правило: когда к полупроводнику р-типа присоединяют положительный полюс, а к n – отрицательный, р-n переход проводит ток.

     

    Вольт-амперная характеристика идеального р-n перехода описывается уравнением . Характеристика диода проходит через начало координат. На рисунке 21 приведены вольт-амперные характеристики одного из кремниевых выпрямительных диодов в разных масштабах. Прямой ток диода возрастает резко уже при напряжении в десятые доли вольта. Попытка приложить большее прямое напряжение к диоду может закончиться протеканием очень большого тока через диод, его перегревом и, в конечном счете, выходом диода из строя.

     

    При обратном напряжении через диод протекает малый обратный ток. Однако при достаточно большом напряжении наступает электрический пробой, ток начинает резко возрастать, а это может привести к перегреву диода, который заканчивается также тепловым пробоем и выходом диода из строя.

     

     

    Рисунок 21

     

    Характеристика диода ассиметрична; ее прямую и обратную ветви невозможно выразить в одном масштабе.

     

    При анализе схем обычно считают, что диоды являются идеальными выпрямителями, т. е. не обладают сопротивлением в прямом направлении и имеют бесконечно большое сопротивление при обратном напряжении. Часто такая идеализация является приемлемой.

     

    Помимо выпрямительных существуют еще туннельные и обращенные диоды и целый ряд диодов, использующих обратное включение р-n перехода: стабилитроны, варикапы, фотодиоды. Большое распространение получили светоизлучающие диоды, работающие на явлении рекомбинации электронов и дырок.

    Электронно лучевая трубка

    Общие принципы

     

    Устройство чёрно-белого кинескопа

     

    В баллоне 9 создан глубокий вакуум — сначала выкачивается воздух, затем все металлические детали кинескопа нагреваются индуктором для выделения поглощённых газов, для постепенного поглощения остатков воздуха используется геттер.

     

    Для того, чтобы создать электронный луч 2, применяется устройство, именуемое электронной пушкой. Катод 8, нагреваемый нитью накала 5, испускает электроны. Чтобы увеличить испускание электронов, катод покрывают веществом, имеющим малую работу выхода (крупнейшие производители ЭЛТ для этого применяют собственные запатентованные технологии). Изменением напряжения на управляющем электроде (модуляторе) 12 можно изменять интенсивность электронного луча и, соответственно, яркость изображения (также существуют модели с управлением по катоду). Кроме управляющего электрода, пушка современных ЭЛТ содержит фокусирующий электрод (до 1961 года в отечественных кинескопах применялась электромагнитная фокусировка при помощи фокусирующей катушки 3 с сердечником 11), предназначенный для фокусировки пятна на экране кинескопа в точку, ускоряющий электрод для дополнительного разгона электронов в пределах пушки и анод. Покинув пушку, электроны ускоряются анодом 14, представляющем собой металлизированное покрытие внутренней поверхности конуса кинескопа, соединённое с одноимённым электродом пушки. В цветных кинескопах со внутренним электростатическим экраном его соединяют с анодом. В ряде кинескопов ранних моделей, таких, как 43ЛК3Б, конус был выполнен из металла и представлял анод сам собой. Напряжение на аноде находится в пределах от 7 до 30 киловольт. В ряде малогабаритных осциллографических ЭЛТ представляет собой только один из электродов электронной пушки и питается напряжением до нескольких сот вольт.

     

    Далее луч проходит через отклоняющую систему 1, которая может менять направление луча (на рисунке показана магнитная отклоняющая система). В телевизионных ЭЛТ применяется магнитная отклоняющая система как обеспечивающая большие углы отклонения. В осциллографических ЭЛТ применяется электростатическая отклоняющая система как обеспечивающая большее быстродействие.

     

    Электронный луч попадает в экран 10, покрытый люминофором 4. От бомбардировки электронами люминофор светится и быстро перемещающееся пятно переменной яркости создаёт на экране изображение.

     

    Люминофор от электронов приобретает отрицательный заряд, и начинается вторичная эмиссия — люминофор сам начинает испускать электроны. В результате вся трубка приобретает отрицательный заряд. Для того, чтобы этого не было, по всей поверхности трубки находится соединённый с общим проводом слой аквадага — проводящей смеси на основе графита (6).

     

    Кинескоп подключается через выводы 13 и высоковольтное гнездо 7.

     

    В чёрно-белых телевизорах состав люминофора подбирают таким, чтобы он светился нейтрально-серым цветом. В видеотерминалах, радарах и т. д. люминофор часто делают жёлтым или зелёным для меньшего утомления глаз.

     

    Угол отклонения луча

     

    Углом отклонения луча ЭЛТ называется максимальный угол между двумя возможными положениями электронного луча внутри колбы, при которых на экране ещё видно светящееся пятно. От величины угла зависит отношение диагонали (диаметра) экрана к длине ЭЛТ. У осциллографических ЭЛТ составляет как правило до 40 градусов, что связано с необходимостью повысить чувствительность луча к воздействию отклоняющих пластин. У первых советских кинескопов с круглым экраном составлял 50 градусов, у чёрно-белых кинескопов более поздних выпусков был равен 70 градусам, начиная с 60-х годов увеличился до 110 градусов (один из первых подобных кинескопов — 43ЛК9Б). У отечественных цветных кинескопов составляет 90 градусов.

     

    Ионный уловитель

     

    Так как внутри ЭЛТ невозможно создать идеальный вакуум, внутри остаётся часть молекул воздуха. При столкновении с электронами из них образуются ион, которые, имея массу, многократно превышающую массу электронов, практически не отклоняются, постепенно выжигая люминофор в центре экрана и образуя так называемое ионное пятно. Для борьбы с этим до середины 60 гг. применялись ионная ловушка. В начале 60 гг. был разработан новый способ защиты люминофора: алюминирование экрана, кроме того позволившее вдвое повысить максимальную яркость кинескопа.

    20.транзисторы.класификация транзисторов

    Транзи́стор (от англ. transfer — переносить и resistor — сопротивление) — трёхэлектродный полупроводниковый электронный прибор, в котором ток в цепи двух электродов управляется третьим электродом. Управление током в выходной цепи осуществляется за счёт изменения входного напряжения. Небольшое изменение входных величин может приводить к существенно большему изменению выходного напряжения и тока. Это усилительное свойство транзисторов используется в аналоговой технике (аналоговые ТВ, радио, связь и т. п.). В настоящее время в аналоговой технике доминируют биполярные транзисторы (БТ) (международный термин — BJT, bipolar junction transistor). Другой важнейшей отраслью электроники является цифровая техника (логика, память, процессоры, компьютеры, цифровая связь и т. п.), где, напротив, биполярные транзисторы почти полностью вытеснены полевыми.

     

    Вся современная цифровая техника построена, в основном, на полевых МОП (металл-оксид-полупроводник)-транзисторах (МОПТ), как более экономичных, по сравнению с БТ, элементах. Иногда их называют МДП (металл-диэлектрик-полупроводник)- транзисторы. Международный термин — MOSFET (metal-oxide-semiconductor field effect transistor). Транзисторы изготавливаются в рамках интегральной технологии на одном кремниевом кристалле (чипе) и составляют элементарный «кирпичик» для построения микросхем памяти, процессора, логики и т. п. Размеры современных МОПТ составляют от 90 до 32 нм. На одном современном чипе (обычно размером 1—2 см²) размещаются несколько (пока единицы) миллиардов МОПТ. На протяжении 60 лет происходит уменьшение размеров (миниатюризация) МОПТ и увеличение их количества на одном чипе (степень интеграции), в ближайшие годы ожидается дальнейшее увеличение степени интеграции транзисторов на чипе (см. Закон Мура). Уменьшение размеров МОПТ приводит также к повышению быстродействия процессоров. Каждую секунду сегодня в мире изготавливается полмиллиарда МОП-транзисторов.Содержание [показать]

     

     

    [править]

    История

     

    принцип работы, схемы и т.д.

    Фотодиод — это светочувствительный диод, который использует энергию света для создания напряжения. Широко используются в бытовых и промышленных автоматических системах управления, где переключателем является количество поступающего света. Например, контроль степени открытия жалюзи в системе умного дома, исходя из уровня освещенности

    Схема фотодиода
    Обратите внимание на основы электричества и на приборы электроники.

    Когда свет попадает на фотодиод, то энергия света, попавшего на светочувствительный материал, вызывает появление напряжения, которое заставляет электроны двигаться через P-N переход. Существует два типа фотодиодов: фотоэлектрические и фотопроводящие.

    Фотопроводящие диоды

    Такие диоды используются для управления электрическими цепями, на которые потенциал подается извне, то есть с постороннего источника.

    Например, они могут регулировать включение и выключение уличного освещения или же открывать и закрывать автоматические двери.

    В типичной цепи, в которой установлен фотодиод, потенциал, подаваемый на диод, имеет смещение в обратном направлении, а его значение немного ниже пробивного напряжения диода. По такой цепи ток не идет. Когда же свет попадает на диод, то дополнительное напряжение, которое начинает двигаться через P-N переход, вызывает сужение обедненной области и создает возможность для движения тока через диод. Количество проходящего тока определяется интенсивностью светового потока, попадающего на фотодиод.

    Фотоэлектрические диоды

    Фотоэлектрические диоды являются единственным источником напряжения для цепи, в которой они установлены.

    Одним из примеров такого фотоэлектрического диода может служить фотоэкспонометр используемый в фотографии для определения освещенности. Когда свет попадает на светочувствительный диод в фотоэкспонометре, то возникающее в результате этого напряжение приводит в действие измерительный прибор. Чем выше освещенность, тем большее напряжение возникает на диоде.

    Что такое фотодиод? Рабочие, V-I характеристики, применение

    Что такое фотодиод?

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

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

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

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

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

    Работа фотодиода

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

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

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

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

    Также прочтите «Различные типы датчиков»

    Режимы работы фотодиода

    Фотодиод

    работает в трех различных режимах. Их:

    • Фотоэлектрический режим
    • Фотопроводящая мода
    • Режим лавинного диода

    Давайте кратко рассмотрим эти режимы.

    Фотоэлектрический режим

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

    Фотопроводящий режим

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

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

    Режим лавинного диода

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

    Подключение фотодиода к внешней цепи

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

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

    Характеристики V-I фотодиода

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

    Применение фотодиода

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

    Конструкция, типы, работа и применение

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


    Что такое фотодиод?

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

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


    Типы фотодиодов

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

    PN Фотодиод

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

    PIN Фотодиод

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


    Лавинный фотодиод

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

    Фотодиод Шоттки

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

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

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

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

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

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

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

    Конструкция

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

    Конструкция фотодиода

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

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

    Работа фотодиода

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

    Принцип работы фотодиода

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

    Режимы работы

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

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

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

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

    Почему фотодиод работает в режиме обратного смещения?

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

    Какой фотодиод или фототранзистор лучше?

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

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

    Фотодиод

    Фототранзистор

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

    Схема фотодиода

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

    Подключение фотодиода к внешней цепи

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

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

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

    КПД фотодиода

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

    I = S P = ηe / hv. P

    Где

    ‘η’ — квантовая эффективность

    ‘e’ — заряд электрона

    ‘hν’ энергия фотона

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

    Чувствительность

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

    Расчет фотодиода может быть выполнен на основе следующего уравнения

    R = η (e / hv)

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

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

    PIN фотодиод против фотодиода PN

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

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

    Преимущества

    К преимуществам фотодиода относятся следующие.

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

    Недостатки

    К недостаткам фотодиода можно отнести следующее.

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

    Применения фотодиода

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

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

    Характеристики

    Итак, остановимся на принципе работы, характеристиках и применении фотодиода. Оптоэлектронные устройства, такие как фотодиоды, доступны в различных типах, которые используются почти во всех электронных устройствах.Эти диоды используются с источниками инфракрасного света, такими как неон, лазерные светодиоды и флуоресцентные лампы. По сравнению с другими светодиодами эти светодиоды не дороги. Мы надеемся, что вы лучше понимаете эту концепцию. Кроме того, любые вопросы относительно этой концепции или реализации электрических и электронных проектов для студентов инженерных специальностей. Пожалуйста, дайте свои ценные предложения, комментируя в разделе комментариев ниже. Вот вам вопрос, какова функция фотодиода ?

    Источники фото:

    ОСНОВЫ ФОТОДИОДОВ — Волновая электроника

    Что такое фотодиод?

    Фотодиод — это полупроводниковый прибор с P-N переходом, который преобразует фотоны (или свет) в электрический ток.В слое P много дырок (положительно), а в слое N — электронов (отрицательно). Фотодиоды могут быть изготовлены из различных материалов, включая, помимо прочего, кремний, германий и арсенид индия, галлия. Каждый материал обладает разными свойствами, обеспечивающими экономическую выгоду, повышенную чувствительность, диапазон длин волн, низкий уровень шума или даже скорость отклика.

    На рисунке 1 показано поперечное сечение типичного фотодиода. Область обеднения образуется в результате диффузии электронов из слоя N в слой P и диффузии дырок из слоя P в слой N.Это создает область между двумя слоями, где отсутствуют свободные носители. Это создает встроенное напряжение для создания электрического поля в области истощения. Это позволяет току течь только в одном направлении (от анода к катоду). Фотодиод может быть смещен в прямом направлении, но генерируемый ток будет течь в противоположном направлении. Вот почему большинство фотодиодов имеют обратное смещение или вообще не смещены. Некоторые фотодиоды не могут быть смещены вперед без повреждения
    .

    Фотон может ударить атом внутри устройства и высвободить электрон, если у фотона достаточно энергии.Это создает пару электрон-дырка (e- и h +), где дырка — это просто «пустое пространство» для электрона. Если фотоны поглощаются слоями P или N, пары дырок электронов будут рекомбинированы в материалах в виде тепла, если они находятся достаточно далеко (по крайней мере, на одну длину диффузии) от области обеднения. Фотоны, поглощенные в области истощения (или около нее), будут создавать пары электронных дырок, которые будут перемещаться к противоположным концам из-за электрического поля. Электроны будут двигаться к положительному потенциалу на катоде, а дырки будут двигаться к отрицательному потенциалу на аноде.Эти движущиеся носители заряда образуют ток (фототок) в фотодиоде. На рисунке 1 показаны различные слои фотодиода (P-N переход), а также несколько точек подключения сверху и снизу.

    Рис. 1. Поперечное сечение фотодиода P-N

    Область истощения создает емкость в фотодиоде, где границы области действуют как пластины конденсатора с параллельными пластинами. Емкость обратно пропорциональна ширине обедненной области.Напряжение обратного смещения также влияет на емкость области.

    Ключевые рабочие характеристики

    Существует четыре основных параметра, используемых при выборе правильного фотодиода, а также при выборе обратного смещения фотодиода.

    • Отклик (скорость / время) фотодиода определяется емкостью P-N перехода. Это время, необходимое носителям заряда, чтобы пересечь P-N переход. На это напрямую влияет ширина обедненной области.
    • Чувствительность — это отношение фототока, генерируемого падающим светом, к мощности падающего света. Обычно это выражается в единицах A / W (превышение силы тока над мощностью). Типичная кривая чувствительности фотодиода показывает зависимость A / W от длины волны. Это называется квантовой эффективностью.
    • Темновой ток — это ток в фотодиоде при отсутствии падающего света. Это может быть одним из основных источников шума в фотодиодной системе. Фототок фонового излучения также может быть включен в это измерение.Фотодиоды обычно помещаются в корпус
      , который не позволяет свету попадать на фотодиод для измерения темнового тока. Поскольку ток, генерируемый фотодиодом, может быть очень небольшим, уровни темнового тока могут скрывать ток, создаваемый падающим светом при низких уровнях освещенности. Темновой ток увеличивается с повышением температуры. Без смещения темновой ток может быть очень низким. Идеальный фотодиод не имел бы темнового тока.
    • Напряжение пробоя — это наибольшее обратное напряжение, которое может быть приложено к фотодиоду до экспоненциального увеличения тока утечки или темнового тока.Фотодиоды должны работать ниже этого максимального приложенного обратного смещения, иначе может произойти повреждение фотодиода. Напряжение пробоя уменьшается с повышением температуры.

    Другие важные параметры включают материал, размер фотодиода и активной области, а также стоимость. При поиске фотодиодов для исследования или приложения необходимо внимательно отнестись к этому вопросу. Фотодиоды, изготовленные из разных материалов (кремний, германий, фосфид арсенида галлия индия или арсенид галлия индия), имеют разные уровни чувствительности, а также разные скорости и темновой ток.Кремний, например, обеспечивает чувствительность для длин волн от ~ 400 до 1000 нм. Однако он имеет самую высокую чувствительность на более высоких длинах волн (~ 900 нм). Германий, с другой стороны, обеспечивает чувствительность для длин волн от ~ 800 до 1600 нм (с пиком ~ 1400 нм). Материал фотодиода имеет решающее значение при выборе подходящего фотодиода для включения в вашу систему лазерных диодов.

    Типы фотодиодов
    СОЕДИНЕНИЕ P-N

    Это самый простой фотодиод.Физика работы фотодиода на P-N-переходе была рассмотрена ранее. Фотодиоды PIN и APD являются вариациями от P-N перехода.

    Область истощения содержит несколько свободных носителей заряда, и шириной области истощения можно управлять, добавляя смещение напряжения.

    Ток, проходящий через фотодиод, может течь только в одном направлении в зависимости от материалов, легированных P и N. При обратном смещении ток не будет проходить через фотодиод без падающего света, создающего фототок.

    PIN ФОТОДИОД

    PIN-фотодиод похож на P-N переход с одним существенным отличием. Вместо того, чтобы размещать слои P и N вместе для создания обедненной области, внутренний слой помещается между двумя легированными слоями. Этот слой показан на рис. 2 . Этот внутренний слой обладает высоким сопротивлением и увеличивает напряженность электрического поля в фотодиоде. У добавленного внутреннего слоя есть много преимуществ, поскольку область истощения значительно увеличивается.

    Емкость перехода уменьшилась, и поэтому скорость фотодиода увеличилась. Увеличенный слой также позволяет увеличить объем преобразования фотонов в электронно-дырочные и повысить квантовую эффективность.

    Рис. 2. Поперечное сечение контактного фотодиода

    Фотодиоды

    PIN также обладают высокой частотной характеристикой. Основное преимущество PIN-фотодиода по сравнению с P-N переходом — это высокая скорость отклика от увеличенной области обеднения.

    ФОТОДИОД ЛАВИНЫ

    Лавинные фотодиоды (APD) используют ударную ионизацию (лавинный эффект) для создания внутреннего усиления материала. Для APD требуется высокое обратное смещение (близкое к обратному напряжению пробоя). Каждый фото-сгенерированный носитель создает больше пар и, таким образом, умножается на лавинный пробой. Это создает внутреннее усиление внутри фотодиода, что, в свою очередь, увеличивает эффективную чувствительность (больший ток
    , генерируемый на фотон). На рис. 3 показано поперечное сечение ЛФД.

    Типичный диапазон спектрального отклика составляет около 300 — 1100 нм. Текущий шум в APD выше, чем в фотодиоде PIN, но усиление сигнала намного больше, что делает отношение сигнал / шум выше в APD. APD обычно имеют более высокую скорость отклика и способность обнаруживать или измерять свет на более низких уровнях.

    Рис. 3. Поперечное сечение APD

    Режимы работы
    РЕЖИМ «ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ» БЕЗ СЦЕНА
    Фотодиоды

    могут работать без смещения напряжения.APD предназначены для обратного смещения, поэтому этот раздел будет иметь отношение к фотодиодам P-N и PIN. Без добавления напряжения на переходе темновой ток может быть чрезвычайно низким (близким к нулю). Это снижает общий шумовой ток системы. Таким образом, несмещенные фотодиоды P-N или PIN лучше подходят для приложений с низким уровнем освещенности по сравнению с работой со смещением обратного напряжения. (ЛФД с обратным смещением будет по-прежнему обеспечивать более высокую чувствительность, чем фотодиоды P-N или PIN для приложений с низким освещением.) Несмещенные фотодиоды также могут хорошо работать для низкочастотных приложений (до 350 кГц). Несмещенный режим (где V = 0) можно увидеть на рисунке 4 между режимом прямого смещения (зеленым) и режимом обратного смещения (синим). График показывает очень мало темнового тока, если он вообще есть, без смещения, что можно увидеть по отсутствию тока на пересечении кривой ВАХ при V = 0.

    Когда светится фотодиод, электрическое поле в обедненной области увеличивается. Это создает фототок, который увеличивается с увеличением потока фотонов.Это чаще всего наблюдается в солнечных элементах, где генерируемое напряжение измеряется между двумя клеммами.

    По сравнению с режимом смещения, фотоэлектрический режим имеет меньшее изменение чувствительности фототока в зависимости от температуры.

    Основным недостатком объективных фотодиодов является низкая скорость отклика. Без смещения к системе емкость фотодиода максимальна, что приводит к снижению скорости.

    РЕЖИМ «ФОТОПРОВОДНИК» ОБРАТНОЕ СМЕЩЕНИЕ

    Когда фотодиод смещен в обратном направлении, на переход P-N подается внешнее напряжение.Отрицательный вывод подключается к положительному слою P, а положительный вывод подключается к отрицательному слою N. Это заставляет свободные электроны в слое N притягиваться к положительному выводу, а дырки в слое P — к отрицательному выводу. Когда на фотодиод подается внешнее напряжение, свободные электроны начинаются с отрицательного вывода и сразу заполняют дырки в P-слое электронами. Это создает в атомах отрицательные ионы с дополнительными электронами.Затем заряженные атомы противодействуют потоку свободных электронов к P-слою. Точно так же дырки производят положительные ионы примерно так же, но в противоположном направлении. При обратном смещении ток будет течь только через фотодиод, а падающий свет будет создавать фототок.

    Обратное смещение приводит к увеличению потенциала в области истощения и увеличению ширины области истощения. Это идеально подходит для создания большой площади для поглощения максимального количества фотонов.

    Время отклика сокращается за счет обратного смещения за счет увеличения размера обедненного слоя. Эта увеличенная ширина уменьшает емкость перехода и увеличивает скорость дрейфа носителей в фотодиоде. Время доставки перевозчиков сокращается, улучшая время отклика.

    К сожалению, увеличение тока смещения увеличивает темновой ток. Этот шум может быть проблемой для очень чувствительных систем, использующих фотодиоды P-N или PIN. Это мешает работе в условиях низкой освещенности.При использовании ЛФД отношение сигнал / шум будет большим независимо от коэффициента усиления фотодиода. Поскольку фотон идеально поглощается в обедненной области, слой P может быть очень тонким. Это можно сбалансировать с помощью обратного смещения, чтобы создать оптимальный фотодиод с более быстрым временем отклика при сохранении как можно более низкого уровня шума.

    Еще одним преимуществом работы с обратным смещением является линейный выход (прямая линия в синей части на рис. 4 , ) фотодиода по отношению к освещению.Это просто означает, что напряжение и ток изменяются линейно (прямо пропорционально) с увеличением оптической мощности. Также можно увидеть нелинейность участка прямого смещения (зеленого цвета).

    Рисунок 4 показывает участок обратного смещения (синий) с напряжением пробоя рядом с ним (красным). Фотодиоды не должны работать сверх напряжения пробоя. Это повредит фотодиод.

    Рис. 4. ВАХ фотодиодов. I 0 — Темновой ток.I P — фототок. P показывает ток при разных уровнях освещенности (P 0 — отсутствие падающего света).

    Интеграция с лазерным диодом

    Контрольный фотодиод часто интегрируется в корпус лазерного диода производителем лазерного диода. Он производит ток, частично пропорциональный выходной оптической мощности лазерного диода. Если в качестве обратной связи используется ток фотодиода, система управления будет пытаться поддерживать постоянный ток фотодиода (и, следовательно, оптическую мощность лазерного диода).Выходной сигнал регулируемого источника тока будет изменяться, чтобы поддерживать уровень оптической мощности одинаковым (это называется режимом постоянной мощности (CP)). Ток фотодиода и выходная мощность лазерного диода связаны передаточной функцией, приведенной в техническом описании лазерного диода.

    Фотодиоды могут не только контролировать выходную мощность постоянного или непрерывного излучения лазера, подавая ток обратно в лазерную систему, они также могут проверять форму лазерного импульса и регистрировать пиковую мощность лазерного импульса.

    Информация в таблицах данных для фотодиодов включает четыре основных компонента, обсуждавшихся ранее, тип фотодиода, длины волн пиковой чувствительности и, самое главное, размер и стоимость.

    Фотодиоды, которые уже встроены в систему лазерных диодов, могут иметь ограниченные возможности и информацию. В технических паспортах лазеров обычно указывается максимальное обратное напряжение, а иногда и чувствительность фотодиода.

    Если характеристики фотодиода чрезвычайно важны для конструкции вашего лазера, для удовлетворения ваших потребностей могут потребоваться специальные сборки или сборки.

    Сводка

    При принятии решения об обратном смещении фотодиода все сводится к уравновешиванию скорости и шума и принятию решения, что является наиболее важным.Если ваше приложение зависит от чрезвычайно низкого уровня шума и низкого темнового тока, вам следует отказаться от смещения фотодиода. Если скорость является вашей главной заботой, вам следует выбрать обратное смещение вашего фотодиода, поскольку время отклика улучшается. Другими словами, если ваше приложение
    основано на точности, фотоэлектрический режим лучше подойдет вам. Если ваше приложение основано на скорости (высокой), режим фотопроводимости или режим с обратным смещением лучше подходят для этой области.

    Обратное смещение фотодиода будет намного более отзывчивым, чем режим без смещения.При работе в фотоэлектрическом режиме может потребоваться усиление отклика.

    Тип фотодиода также может повлиять на ваше решение о смещении. Некоторые типы фотодиодов могут иметь только обратное смещение, а другие могут иметь усиление отклика внутри системы. ЛФД будут эффективны в условиях низкой освещенности, когда чувствительность критична, но они дороги, фотодиоды P-N представляют собой наиболее простую конструкцию и не используются широко, а фотодиоды с PIN-кодом являются наиболее распространенными и самыми дешевыми фотодиодами с очень низким уровнем шума.Как обсуждалось ранее, материалы, размер и стоимость также влияют на тип фотодиода, необходимого для данного приложения. Таблица 1 показывает упрощенную диаграмму, сравнивающую три разных фотодиода.

    Таблица 1. Сравнительная таблица

    P-N ПИН APD
    ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ Лучшее Хорошо Плохо
    ОБРАТНОЕ СМЕЩЕНИЕ Хорошо Лучшее Хорошо
    НИЗКИЙ СВЕТ Плохо Хорошо Лучшее
    СТОИМОСТЬ Лучшее Хорошо Плохо
    НИЗКИЙ ШУМ Хорошо Лучшее Плохо

    Основы работы с фотодиодами и их применение

    Фотодиод — это особый тип диода, который преобразует световую энергию в электрическую, когда на него падает падающий свет, а величина протекающего тока прямо пропорциональна интенсивности света и предназначена для работы в режиме обратного смещения.Это означает, что если мы увеличим интенсивность света на PN-переходе фотодиода, обратный ток также возрастет в фотодиоде.

    Символ фотодиода выглядит как диод, но на него падает падающий свет, как вы можете видеть на рисунке ниже.

    Фотодиод Symbol

    Как работает фотодиод?

    Он имеет P- и N-переход и подключен с обратным смещением, что приводит к очень широкой области обеднения на PN-переходе. В P-типе основными носителями являются дырки, а основными носителями n-типа являются электроны.Когда мы подключаем фотодиод с обратным смещением, и если в этом состоянии на фотодиоде нет освещения или света, мы получаем очень небольшое количество тока в микроамперах, которое мы назвали темновым током.

    Когда фотон с энергией, превышающей ширину запрещенной зоны, ударяется о диод, ковалентная связь разрывается, и образуются новые пары электронов и дырок. Это приводит к тому, что пара электронов и дырок называется внутренним фотоэлектрическим эффектом, дырки движутся к аноду, а электроны движутся к катоду, что приводит к фототоку.Полный ток через диод складывается из темнового тока и фототока. Чтобы максимизировать чувствительность фотодиода, нам нужно минимизировать темновой ток

    Hv> Например,

    Энергия фотона> Энергия запрещенной зоны

    Фотодиоды могут работать в следующих режимах:

    Фотоэлектрический режим

    В фотоэлектрическом режиме диод не подключен к источнику питания, мы не смещаем диод. Можно сказать, что нет предвзятого источника.Когда свет падает в таком состоянии на фотодиод, он возбуждает электроны в более высокое энергетическое состояние и приводит к тому, что электроны перемещаются к выводам катода, а дырки — к выводам анода. Этот процесс создает разность потенциалов между двумя клеммами.

    Фотопроводящий режим

    В фотопроводящем режиме диод подключен к источнику питания, и мы смещаем диод в обратном направлении. Когда свет падает на фотодиод, он создает пару электронов и дырок и движется в противоположном направлении из-за напряжения смещения.

    Характеристики V-I фотодиода

    Фотодиод работает в режиме обратного смещения. Фототок не зависит от приложенного обратного напряжения смещения. В отсутствие света или, можно сказать, при нулевой освещенности мы получаем почти нулевой фототок и очень небольшое количество темнового тока. Увеличивая интенсивность света, мы можем наблюдать увеличение фототока, поэтому фототок линейно увеличивается с увеличением оптической мощности.

    E4> E3> E2> E1

    (Изображение предоставлено Викимедиа.org)

    Преимущества фотодиодов

    • Работает на свету, что делает его быстрым и пригодным для самой быстрой связи, такой как связь на основе оптоволокна
    • Очень низкий уровень шума
    • Длительный срок службы
    • Очень низкое сопротивление
    • Может работать при очень малом напряжении

    Применение фотодиода

    Существует широкий спектр применения фотодиодов, которые можно найти в большинстве устройств:

    • Фотодиод, используемый в качестве светочувствительного элемента. Поскольку ток в нем прямо пропорционален интенсивности света, он также используется для измерения интенсивности света.
    • Мы можем использовать фотодиод в детекторах дыма для обнаружения дыма и огня.
    • Фотодиод в сочетании со светодиодами для изготовления оптоизоляторов и оптопар
    • Используется в солнечных батареях в качестве солнечных элементов
    • Используется в сканере штрих-кода, распознавании символов
    • Используется в системе обнаружения препятствий,
    • Может использоваться в принтерах как наличие страницы и счетчик страниц
    • Используется для обнаружения приближения, оксиметров
    • Он также используется в оптических кодерах и декодерах
    • Оптическая передача сообщений, связь по оптоволокну
    • Датчик положения

    Чтобы прочитать другие интересные статьи Basics:
    нажмите здесь

    Замечания по применению | OSI Оптоэлектроника

    Найдите время, чтобы просмотреть нашу библиотеку заметок по приложениям.Для получения дополнительной информации свяжитесь с одним из наших опытных инженеров по приложениям.

    Фотодиоды: стабильность и надежность
    Фотодиоды: детекторы положения
    • Детекторы положения и фотодиоды, общее обсуждение (324k)
      Кремниевые фотодетекторы обычно используются для измерения мощности света в широком диапазоне приложений, таких как считыватели штрих-кода, лазерные принтеры, медицинская визуализация, спектроскопия и многое другое. Однако есть еще одна функция, в которой фотодетекторы используются в качестве оптических датчиков положения.Они широко известны как датчики положения или просто PSD. в одно- и двумерной конфигурациях.
    • Использование фотоприемников для определения положения (380k)
      Электрооптические системы все чаще используются для определения положения и в динамических измерениях, которые требуют бесконтактных датчиков с широкой полосой частот.
    • AN08 Фотодиоды бокового эффекта (252k)
      Применение электрооптических инструментов для механической юстировки резко расширилось за последние три года в строительстве, станкостроении, авиастроении и аэрокосмической промышленности, что повысило спрос на новые типы датчиков положения.
    • AN10 Практическая электрооптическая система измерения прогиба (252k)
      В этой статье описывается электрооптическая система смещения, которая измеряет угловое и поперечное смещения одновременно.
    • AN12 Серия непрерывного определения положения (LSC, SC) (232k)
      Эти серии представляют собой чувствительные, линейные и быстрые кремниевые фотодетекторы, которые выдают два электрических выходных сигнала, определяющих только положение X (серия LSC) или положение X и Y (серия Dual Axis SC) входного сигнала правой точки относительно фиксированных внутренних координат.
    • AN13 Бесконтактное оптическое определение положения с использованием кремниевых фотодетекторов (508k)
      Цель этой статьи — изучить различные типы кремниевых фотодетекторов, которые могут использоваться для определения положения.
    • AN15 Биомеханическое определение положения в реальном времени на основе фотодиода с боковым эффектом (108k)
      Фотодиод представляет собой устройство размером 1 x 1 см, способное воспринимать свет, отображаемый на его поверхности.
    • Квадрантный и двухэлементный модуль усилителя на кремниевом фотодиоде (128k)
      Датчики положения OSI Optoelectronics «Laser-Effect».
    Фотодиоды: измерение освещенности

    Фотодиоды — символ, работа и типы

    Введение

    А Фотодиод — это p-n-переход или штыревой полупроводниковый прибор, который потребляет световую энергию для выработки электрического тока. Это также иногда называют фотодетектором, фотодатчиком или светом детектор.

    Фотодиоды находятся специально предназначен для работы в условиях обратного смещения.Обратное смещение означает, что сторона p фотодиода подключена к отрицательная клемма аккумулятора и n-сторона подключена к положительный полюс аккумуляторной батареи.

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

    строительство и работа фотодиода почти аналогична нормальному p-n переходной диод. PIN (p-тип, внутренний и n-тип) структура в основном используется для построения фотодиода вместо структуры соединения p-n (p-тип и n-тип), потому что Структура PIN-кода обеспечивает быстрое время отклика. PIN-фотодиоды в основном используется в высокоскоростных приложениях.

    В нормальный диод p-n переход, напряжение используется как энергия источник для выработки электрического тока, тогда как в фотодиоды, как напряжение, так и свет используются в качестве источника энергии для выработки электрического тока.

    Фотодиод символ

    символ фотодиода аналогичен нормальному p-n переходу диод, за исключением того, что он содержит стрелки, указывающие на диод.В стрелки на диоде представляют свет или фотоны.

    А Фотодиод имеет два вывода: катод и анод.

    Цели и ограничения фотодиода

    1. Фотодиод всегда должен работать в режиме обратного смещения.
    2. Применено напряжение обратного смещения должно быть низким.
    3. Сгенерировать низкий уровень шума
    4. Высокое усиление
    5. Высокая скорость отклика
    6. Высокая светочувствительность
    7. Низкий чувствительность к температуре
    8. Низкая стоимость
    9. Малый размер
    10. Длинный срок службы

    Как фотодиод работает?

    А нормальный диод с p-n переходом допускает небольшое количество электрического ток в условиях обратного смещения.Для увеличения электрического ток в условиях обратного смещения, нам нужно генерировать больше миноритарные перевозчики.

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

    Однако небольшое количество неосновных носителей генерируется из-за внешнее обратное напряжение смещения.Неосновные перевозчики генерировали на n-стороне или p-стороне будет рекомбинировать в одном и том же материале перед они пересекают перекресток. В результате отсутствует электрический ток. потоки за счет этих носителей заряда. Например, меньшинство носители, генерируемые в материале p-типа, испытывают a сила отталкивания от внешнего напряжения и попытаться сдвинуться с места в сторону n. Однако перед пересечением перекрестка свободные электроны рекомбинируют с дырками внутри одного материал.В результате не протекает электрический ток.

    Кому преодолеть эту проблему, нам нужно применить внешнюю энергию непосредственно к истощению область для генерации большего количества носителей заряда.

    А специальный тип диода, называемый фотодиодом, предназначен для генерировать большее количество носителей заряда в области истощения. В фотодиодах мы используем свет или фотоны в качестве внешней энергии. для генерации носителей заряда в обедненной области.

    Типы фотодиодов

    рабочая работа всех типов фотодиодов одинакова. Различные типы фотодиодов разрабатываются на основе конкретных заявление. Например, фотодиоды с PIN-кодом разработаны для увеличить скорость отклика. Фотодиоды с PIN-кодом используются там, где нужна высокая скорость отклика.

    разные типов фотодиодов

    • PN переход фотодиод
    • PIN фотодиод
    • Лавина фотодиод

    Среди все три фотодиода, фотодиоды с PN переходом и PIN наиболее широко используется.

    PN переходной фотодиод

    PN переходные фотодиоды — это первая разновидность фотодиодов. Они являются наиболее широко используемыми фотодиодами до разработка ПИН-фотодиодов. Фотодиод на PN переходе также просто фотодиод. В настоящее время фотодиоды с PN-переходом не получили широкого распространения.

    Когда внешний световая энергия поступает на фотодиод p-n перехода, валентный электроны в обедненной области приобретают энергию.

    Если световая энергия, подаваемая на фотодиод, больше, чем запрещенная зона полупроводникового материала, валентные электроны приобретают достаточно 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. другое место, проводя электрический ток.

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

    неосновные носители в области истощения испытывают силу из-за в область истощения электрического поле и внешнее электрическое поле. Например, бесплатно электроны в области обеднения испытывают отталкивание и сила притяжения от присутствующих отрицательных и положительных ионов на краю обедненной области на p-стороне и n-стороне.Как в результате свободные электроны движутся к n-области. Когда свободные электроны достигают n области, они притягиваются к положительные клеммы аккумуляторной батареи. Аналогичным образом отверстия движутся в противоположном направлении.

    электрическое поле в области сильного обеднения и внешнее электрическое поле увеличивает скорость дрейфа свободного электроны.Из-за этой высокой скорости дрейфа меньшинство носители (свободные электроны и дырки), образующиеся при обеднении область пересечет p-n-переход, прежде чем они рекомбинируют с атомы. В результате ток неосновных носителей увеличивается.

    Когда на фотодиод обратного смещения не подается свет, он несет небольшой обратный ток из-за внешнего напряжения. Этот маленький электрический ток при отсутствии света называется темным Текущий.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 обедненной области, потому что носители заряда в области истощения имеет высокую скорость дрейфа и низкую скорость рекомбинации, тогда как носители заряда на n-стороне или p-сторона имеет низкую скорость дрейфа и высокую скорость рекомбинации.В электрический ток, генерируемый в фотодиоде из-за применение света называется фототоком.

    полный ток через фотодиод — это сумма темновых ток и фототок. Темновой ток необходимо уменьшить для увеличения чувствительности устройства.

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

    PIN фотодиод

    PIN Фотодиоды разработаны на основе фотодиодов с PN переходом. PIN-фотодиод работает аналогично PN-переходу. фотодиод, за исключением того, что фотодиод PIN изготавливается иначе улучшить его производительность.

    ПИН-фотодиод разработан для увеличения неосновной несущей. ток и скорость отклика.

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

    слоев ПИН-фотодиода

    А Фотодиод с PN-переходом состоит из двух слоев: p-типа и полупроводник n-типа, тогда как фотодиод PIN состоит из трех слои, а именно p-тип, n-тип и собственный полупроводник.

    В PIN-фотодиод, дополнительный слой, называемый внутренним полупроводник помещается между p-типом и n-типом полупроводник для увеличения тока неосновных носителей.

    P-типа полупроводник

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

    В Полупроводники p-типа, количество свободных электронов в зона проводимости меньше, чем количество отверстий в валентная полоса. Следовательно, дырки являются основными носителями заряда и свободными электроны являются неосновными носителями заряда. В р-типе В полупроводниках дырки несут большую часть электрического тока.

    тип N полупроводник

    Если пятивалентный примеси добавляются к собственному полупроводнику, n-тип полупроводник.

    В Полупроводники n-типа, количество свободных электронов в зона проводимости больше, чем количество дырок в валентная полоса. Следовательно, свободные электроны являются основными носителями заряда и дырки являются неосновными носителями заряда. В n-типе полупроводники, свободные электроны несут большую часть электрического Текущий.

    Внутренний полупроводник

    Внутренний Полупроводники — это чистая форма полупроводников.В собственный полупроводник, количество свободных электронов в зона проводимости равна количеству дырок в валентной группа. Следовательно, собственный полупроводник не имеет заряда. носители для проведения электрического тока.

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

    PIN работа фотодиода

    А PIN-фотодиод состоит из p-области и n-области, разделенных внутренний слой с высоким сопротивлением. Собственный слой помещается между областью p и областью n для увеличения ширины области истощения.

    Полупроводники p-типа и n-типа сильно легированы.Следовательно, p-область и n-область фотодиода PIN имеют большие количество носителей заряда для переноса электрического тока. Тем не мение, эти носители заряда не будут проводить электрический ток под условие обратного смещения.

    Вкл. с другой стороны, собственный полупроводник — нелегированный полупроводниковый материал. Следовательно, собственная область не иметь носителей заряда для проведения электрического тока.

    Менее обеспечить регресс условие смещения, основные носители заряда в области n и p регион удаляется от стыка. В результате ширина область истощения становится очень широкой. Таким образом, большинство носители не будут проводить электрический ток при обратном смещении условие.

    Однако неосновные носители будут переносить электрический ток, потому что они испытывают силу отталкивания от внешнего электрического поля.

    В PIN-фотодиод, носители заряда, генерируемые при истощении по региону проходит большая часть электрического тока. Носители заряда генерируемые в p-области или n-области несут только небольшой электрический ток.

    Когда к PIN-диоду прикладывается энергия света или фотона, большая часть энергии наблюдается внутренней или обедненной областью из-за большой ширины истощения.В результате большой количество электронно-дырочных пар.

    Бесплатно электроны, генерируемые в собственной области, движутся в сторону n-сторону, тогда как дыры, образовавшиеся во внутренней области, перемещаются в сторону p. Свободные электроны и дырки переместились из одного от региона к другому региону проводят электрический ток.

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

    Население неосновных носителей в фотодиоде PIN очень велико по сравнению с к фотодиоду PN перехода. Таким образом, фотодиод с PIN-кодом несет больший ток неосновных носителей, чем у фотодиода с PN-переходом.

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

    ср знайте, что емкость прямо пропорциональна размеру электродов и обратно пропорционально расстоянию между электроды.В фотодиоде с PIN-кодом действуют области p и n. как электроды и внутренняя область действует как диэлектрик.

    расстояние разделения между p областью и n областью в PIN фотодиод очень большой из-за большой обедненной ширины. Таким образом, PIN-фотодиод имеет низкую емкость по сравнению с Фотодиод на PN переходе.

    В PIN-фотодиод, большая часть электрического тока проходит через носители заряда, генерируемые в обедненной области.Заряд носители, генерируемые в области p или n, несут только небольшой электрический ток. Следовательно, увеличивая ширину истощения область увеличивает электрический ток неосновных носителей.

    Преимущества из PIN фотодиод

    1. широкий полоса пропускания
    2. Высокий квант эффективность
    3. Высокая скорость отклика

    Лавина фотодиод

    операция лавинного фотодиода аналогичен PN переходу и PIN фотодиод, за исключением того, что прикладывается высокое обратное напряжение смещения в случае лавинного фотодиода для лавинного выхода умножение.

    Применение высокая Напряжение обратного смещения на лавинный фотодиод не будет напрямую увеличивают генерацию носителей заряда. Тем не мение, он обеспечивает энергией электронно-дырочные пары, генерируемые падающий свет.

    Когда на лавинный фотодиод подается световая энергия, при обеднении образуются электронно-дырочные пары.В генерируемые электронно-дырочные пары испытывают силу из-за электрическое поле обедненной области и внешнее электрическое поле.

    В лавинный фотодиод, очень высокое напряжение обратного смещения большое количество энергии для неосновных носителей (электронно-дырочные пары). Неосновные перевозчики, которые получают большое количество энергия ускоряется до больших скоростей.

    Когда свободные электроны движущиеся на большой скорости сталкиваются с атомом, они сбивают больше свободных электронов. Вновь образованные свободные электроны снова ускоряется и сталкивается с другими атомами. Из-за это непрерывное столкновение с атомами, большое количество генерируются неосновные носители. Таким образом, лавинные фотодиоды генерирует большее количество носителей заряда, чем PN и PIN фотодиоды.

    Лавина фотодиоды используются в приложениях, где высокий коэффициент усиления важен фактор.

    Преимущества из лавинный фотодиод

    1. Высокая чувствительность
    2. Больший прирост

    Недостатки из лавинный фотодиод

    генерирует высокая уровень шума, чем у фотодиода PN

    Фотодиод операция режимы

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

    Эксплуатация Режим выбор фотодиода зависит от скорости требования приложения и количество темнового тока это терпимо.

    Фотоэлектрические режим

    В фотоэлектрический режим, фотодиод несмещен. В другом словами, на фотодиод не подается внешнее напряжение. фотоэлектрический режим.

    В фотоэлектрический режим темновой ток очень низкий. Фотодиоды работали в фотоэлектрический режим имеет низкую скорость отклика.

    фотодиоды работают в фотоэлектрическом режиме, обычно используются для низкой скорости приложений или для обнаружения низкого уровня освещенности.

    Фотопроводящий режим

    В фотопроводящий в режиме внешнего обратного смещения фотодиод.

    Применение напряжение обратного смещения увеличивает ширину обедненной области и уменьшает емкость перехода, что приводит к повышенная скорость отклика. Обратное смещение также увеличивает темное течение.

    Фотодиоды при работе в фотопроводящем режиме имеет высокий ток шума. Этот возникает из-за обратного тока насыщения, протекающего через фотодиод.

    Темный ток

    Тьма ток — это ток утечки, который протекает в фотодиоде в отсутствие света. Темновой ток в фотодиоде увеличивается при повышении температуры. Материал, используемый для Построенный фотодиод также влияет на темновой ток.

    разные материалы, используемые для изготовления фотодиодов, — кремний (Si), Германий, (Ge), фосфид галлия (GaP), индий галлий Арсенид (InGaAs), антимонид арсенида индия (InAsSb), Арсенид индия-галлия (InGaAs), ртуть Теллурид кадмия (MCT, HgCdTe).

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

    скорость отклика кремния, фосфида галлия, индия галлия Арсенид и арсенид индия-галлия с расширенным диапазоном высокая.

    Производительность параметры фотодиода

    Ответственность

    Отзывчивость является отношение генерируемого фототока к падающему свету мощность.

    Квантовая эффективность

    Квантовая эффективность определяется как отношение количества электронно-дырочных пар (фотоэлектроны) генерируются падающими фотонами.

    Время отклика или время в пути

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

    Фотодиод приложения

    различные применения фотодиодов

    1. Компакт-диск игроков
    2. Дым детекторы
    3. Космос приложения
    4. Фотодиоды используются в медицинских приложениях, таких как вычисленные томография, инструменты для анализа проб и пульс оксиметры.
    5. Фотодиоды используются для оптической связи.
    6. Фотодиоды используются для измерения очень низкой интенсивности света.

    Типы диодов

    различные типы диодов следующие:

    1. стабилитрон диод
    2. Лавинный диод
    3. Фотодиод
    4. Свет Излучающий диод
    5. Лазер диод
    6. Туннель диод
    7. Шоттки диод
    8. Варактор диод
    9. P-N переходной диод

    фотодиодов | Хамамацу Фотоникс

    Этот веб-сайт или его сторонние инструменты используют файлы cookie, которые необходимы для его функционирования и необходимы для достижения целей, проиллюстрированных в этой политике использования файлов cookie.Закрыв баннер с предупреждением о файлах cookie, прокручивая страницу, щелкая ссылку или продолжая просмотр иным образом, вы соглашаетесь на использование файлов cookie.

    Hamamatsu использует файлы cookie, чтобы сделать ваше пребывание на нашем веб-сайте более удобным и обеспечить его функционирование.

    Вы можете посетить эту страницу в любое время, чтобы узнать больше о файлах cookie, получить самую последнюю информацию о том, как мы используем файлы cookie, и управлять настройками файлов cookie. Мы не будем использовать файлы cookie для каких-либо целей, кроме указанных, но обратите внимание, что мы оставляем за собой право обновлять наши файлы cookie.

    Чтобы современные веб-сайты работали в соответствии с ожиданиями посетителей, им необходимо собрать определенную базовую информацию о посетителях. Для этого сайт создает небольшие текстовые файлы, которые размещаются на устройствах посетителей (компьютерных или мобильных) — эти файлы известны как файлы cookie, когда вы заходите на сайт. Файлы cookie используются для обеспечения функциональности и эффективности веб-сайтов. Файлы cookie уникально назначаются каждому посетителю и могут быть прочитаны только веб-сервером в домене, который отправил файл cookie посетителю.Файлы cookie не могут использоваться для запуска программ или доставки вирусов на устройство посетителя.

    Файлы cookie

    выполняют различные функции, которые делают работу в Интернете более удобной и интерактивной. Например, файлы cookie используются для запоминания предпочтений посетителей на сайтах, которые они часто посещают, для запоминания языковых предпочтений и для более эффективной навигации между страницами. Большая часть, хотя и не все, собранные данные являются анонимными, хотя некоторые из них предназначены для обнаружения шаблонов просмотра и приблизительного географического местоположения, чтобы улучшить впечатление посетителей.

    Для определенных типов файлов cookie может потребоваться согласие субъекта данных перед их сохранением на компьютере.

    2. Какие бывают типы файлов cookie?

    Этот веб-сайт использует два типа файлов cookie:

    1. Основные файлы cookie. Для нашего веб-сайта основные файлы cookie контролируются и обслуживаются Hamamatsu. Никакие другие стороны не имеют доступа к этим файлам cookie.
    2. Сторонние файлы cookie. Эти файлы cookie реализуются организациями за пределами Хамамацу. У нас нет доступа к данным в этих файлах cookie, но мы используем эти файлы cookie, чтобы улучшить общее впечатление от веб-сайта.

    3. Как мы используем файлы cookie?

    Этот веб-сайт использует файлы cookie для следующих целей:

    1. Для работы нашего веб-сайта необходимы определенные файлы cookie. Это строго необходимые файлы cookie, которые необходимы для обеспечения доступа к веб-сайту, поддержки навигации или предоставления соответствующего контента.Эти файлы cookie направляют вас в правильную страну и поддерживают безопасность и электронную торговлю. Строго необходимые файлы cookie также обеспечивают соблюдение ваших настроек конфиденциальности. Без этих строго необходимых файлов cookie большая часть нашего веб-сайта не будет работать.
    2. Аналитические файлы cookie используются для отслеживания использования веб-сайта. Эти данные позволяют нам улучшить удобство использования, производительность и администрирование нашего веб-сайта. В наших аналитических файлах cookie мы не храним никакой личной идентифицирующей информации.
    3. Функциональные файлы cookie.Они используются, чтобы узнать вас, когда вы вернетесь на наш сайт. Это позволяет нам персонализировать наш контент для вас, приветствовать вас по имени и запоминать ваши предпочтения (например, ваш выбор языка или региона).
    4. Эти файлы cookie записывают ваше посещение нашего веб-сайта, страницы, которые вы посетили, и ссылки, по которым вы переходили. Мы будем использовать эту информацию, чтобы наш веб-сайт и отображаемая на нем реклама соответствовали вашим интересам. Мы также можем передавать эту информацию третьим лицам с этой целью.

    Файлы cookie помогают нам помочь вам. С помощью файлов cookie мы узнаем, что важно для наших посетителей, а также разрабатываем и улучшаем контент и функции веб-сайта, чтобы обеспечить вам удобство использования. Доступ к большей части нашего веб-сайта можно получить, если файлы cookie отключены, однако некоторые функции веб-сайта могут не работать. И мы считаем, что ваши текущие и будущие посещения будут улучшены, если будут включены файлы cookie.

    4. Какие файлы cookie мы используем?

    Есть два способа управлять настройками файлов cookie.

    1. Вы можете установить настройки файлов cookie на своем устройстве или в браузере.
    2. Вы можете установить настройки файлов cookie на уровне веб-сайта.

    Если вы не хотите получать файлы cookie, вы можете изменить свой браузер так, чтобы он уведомлял вас об отправке файлов cookie, или вы можете полностью отказаться от файлов cookie. Вы также можете удалить уже установленные файлы cookie.

    Если вы хотите ограничить или заблокировать файлы cookie веб-браузера, установленные на вашем устройстве, вы можете сделать это в настройках своего браузера; функция справки в вашем браузере должна подсказать вам, как это сделать.Кроме того, вы можете посетить сайт www.aboutcookies.org, который содержит исчерпывающую информацию о том, как это сделать в самых разных браузерах для настольных компьютеров.

    5. Что такое Интернет-теги и как мы используем их с файлами cookie?

    Иногда мы можем использовать интернет-теги (также известные как теги действий, однопиксельные GIF-файлы, прозрачные GIF-файлы, невидимые GIF-файлы и GIF-файлы размером 1 на 1) на этом сайте и можем развертывать эти теги / файлы cookie через стороннего рекламного партнера. или партнер по веб-аналитике, который может находиться и хранить соответствующую информацию (включая ваш IP-адрес) в другой стране.Эти теги / файлы cookie размещаются как в онлайн-рекламе, которая приводит пользователей на этот сайт, так и на разных страницах этого сайта. Мы используем эту технологию для измерения откликов посетителей на наши сайты и эффективности наших рекламных кампаний (в том числе, сколько раз открывается страница и с какой информацией обращаются), а также для оценки использования вами этого веб-сайта. Сторонний партнер или партнер службы веб-аналитики может собирать данные о посетителях нашего и других сайтов с помощью этих интернет-тегов / файлов cookie, может составлять для нас отчеты о деятельности веб-сайта и может предоставлять дополнительные услуги, связанные с использование веб-сайта и Интернета.Они могут предоставлять такую ​​информацию другим сторонам, если это требуется по закону или если они нанимают другие стороны для обработки информации от их имени.

    Если вы хотите получить дополнительную информацию о веб-тегах и файлах cookie, связанных с онлайн-рекламой, или отказаться от сбора этой информации третьими сторонами, посетите веб-сайт Network Advertising Initiative http://www.

    Добавить комментарий

    Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *