Фотодиоды принцип работы основные характеристики: Фотодиоды принцип работы основные характеристики, фототранзисторы справочник

Содержание

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 (f

BW) 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

 

 

принцип работы и основные характеристики

Введение

Фотодетекторы EOT — по-настоящему многофункциональный инструмент для измерений ширины импульса и различных приложений, связанных с анализом профиля импульса.

Серия ЕТ разработана на базе PIN фотодиодов. Фотодетекторы работают в режиме обратного смещения. В основе работы PIN фотодиодов — внутренний фотоэффект, с помощью которого оптическое излучение преобразуется в электрический сигнал (ток). В качестве источника напряжения обратного смещения используется литиевый элемент (один или более) на 3 В. Если требуется более высокое напряжение, подключают внешние аккумуляторы. Каждый фотодетектор оснащен выходным SMA или BNC разъемом. Для подключения фотодетектора к осциллографу достаточно установить нагрузочное сопротивление в 50 Ом. Почти все фотодетекторы подходят к подключению через разъем FC и совместимы с оптоволоконными источниками излучения.

Фотодетекторы с усилителем трансимпеданса

Эти фотодетекторы также основаны на технологии PIN фотодиодов, однако оснащены еще и высокоскоростным усилителем трансимпеданса. Благодаря усилителям повышается чувствительность фотодетектора — устройство распознает излучение мощностью до 100 нВт.
В основном коэффициент усиления в фотоприемниках с усилителем трансимпеданса составляет 26 дБ. Следует отметить, что эти фотоприемники связаны по переменному току, нижняя частота среза составляет 30 кГц.

Приложения

  • Измерение ширины импульса / визуализация профиля импульса лазерных источников с модуляцией добротности
  • Мониторинг выходного сигнала лазеров с синхронизацией мод
  • Визуализация резкой модуляции диодных лазеров и непрерывных (или импульсных) лазерных источников с внешней модуляцией
  • Обнаружение пучка / калибровка импульсных и непрерывных лазеров
  • Фотоприемники с большой рабочей областью применяются и в качестве измерителей мощности (расчет уровней мощности проводится по закону Ома)

На рисунке проиллюстрированы некоторые области применения фотоприемников серии ET:

Слева: профиль непрерывного импульса длительностью менее 100 пс (анализ сделан при длине волны 1064 нм, фотодетектор ET-2000), справа: биение мод в лазерном Q-switched источнике на основе Nd:YAG кристалла, диапазон частот осциллографа более 10 ГГц, фотодетектор ЕТ-2000

Основные характеристики фотодетекторов

Чувствительность: отношение возникающего фототока к данной мощности падающего света, зависит от длины волны, единица измерения А/Вт.

Спектральная чувствительность: спектральная чувствительность фотодетектора представлена зависимостью от длины волны.

Время нарастания: время, необходимое для роста уровня выходного сигнала фотодетектора от 10% до 90% от пиковой величины.

Время спадания: время, необходимое для снижения уровня выходного сигнала фотодетектора от 90% до 10% от пиковой величины.

Частотная характеристика: частотная характеристика фотоприемника чаще всего описывается как функция чувствительности от частоты модуляции потока излучения, измеряется в децибелах или герцах.

Нижняя пороговая частота: частота излучения, при которой мощность выходного сигнала фотодетектора снижается на 3 дБ, при этом частота сигнала составляет порядка 100 кГц.

Частотный диапазон: разность между верхним и нижним частотным порогом, измеренная в герцах. Частотный диапазон фотодетектора приближенно рассчитывается через время нарастания Tr по следующей формуле:

Частотный диапазон (Гц) ≈ 0.35/Tr

Темновой ток: небольшой ток, протекающий в фотодиоде при отсутствии освещения фотокатода.

Емкость перехода: значение емкости между выводами полупроводникового излучателя без емкости корпуса при заданных напряжении смещения и частоте.

Напряжение пробоя: значение обратного напряжения, вызывающего пробой перехода, при котором обратный ток через полупроводниковый излучатель превышает заданное значение.

Энергетический эквивалент шума: энергетический эквивалент количества падающих фотонов (излучения) к уровню собственных шумов, когда соотношение сигнал/шум составляет 1.

Расчет мощности лазера

Используя значение чувствительности при данной длине волны и применяя закон Ома (V=IR), можно рассчитать мощность лазерного излучения, прошедшего через активную область детектора.

Например, выходной сигнал фотодетектора ЕТ-2030 имеет мощность 20 мВ, длина волны лазерного излучения 632.8 нм. Нагрузочное сопротивление 50 Ом, мощность входного сигнала рассчитывается как: I = 0.02 В/50 Ом, откуда I = 0.0004 A.

Спектральная чувствительность кремниевого фотодетектора ЕТ-2030 при длине волны излучения 632.8 нм составляет 0.4 A/Вт. Тогда 0.0004 A/0.4 A/Вт = 1 мВт — искомая мощность входного излучения.

Нужно отметить, что расчеты приводятся только для сигнала, затронувшего рабочую область фотодетектора. Расчеты абсолютной мощности сигнала не столь важны для практических применений, поскольку в реальных установках присутствуют потери.

Принципиальная схема фотоприемников

Схема электрической цепи фотодетекторов на основе арсенида галлия-индия и кремния, частотный диапазон менее 2 ГГц:

Схема электрической цепи фотодетектора с частотным диапазоном более 12 ГГц:

 

© Electro-Optics Technology, Inc. 

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

 

 

Фотодиод основные характеристики. Основные характеристики и параметры фотодиодов

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

Принцип действия фотодиода

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

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

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

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

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

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

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

Характеристики фотодиодов

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

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

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

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

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

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

В фотогальваническом режиме фотодиод работает в роли датчики или в роли слаботочного элемента питания, так как под воздействием светового потока на выводах фотоэлемента генерируется напряжение, зависящее от потока излучения и нагрузки.

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


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

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

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

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

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

Характеристики фотодиода

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

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

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

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

темновое сопротивление — сопротивление радиокомпонента при отсутствии освещения.

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

Устройство и принцип действия

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

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

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

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

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

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

Режимы работы

Фотодиоды способны функционировать в следующих режимах:

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

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

КПД солнечных батарей на основе кремния составляет 20%, у пленочных элементов этот параметр значительно больше. Важным свойством солнечных батарей является зависимость мощности выхода к весу и площади чувствительного слоя. Эти свойства достигают величин 200 Вт / кг и 1 кВт / м 2 .

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

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

Виды фотодиодов

Существует несколько различных видов фотодиодов, которые имеют свои достоинства.

p i n фотодиод

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 10 10 герц. Повышенное сопротивление этого слоя значительно уменьшает ток работы при отсутствии освещения. Чтобы световой поток смог проникнуть через р-слой, он не должен быть толстым.


Лавинные фотодиоды

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.

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

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

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

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

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

б – в фотодиодном режиме

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

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

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

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

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

Рис.46 Схема регулирования от­дачи фотодиода

Вопросы для самопроверки:

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

2. Нарисовать и объяснить схемы включения звукоснимателя.

3. Нарисовать и объяснить схемы включения микрофона.

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

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

6. Нарисовать и объяснить схемы включение фотодиода.

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.

Тематические статьи по фотонике

Детекторы от компании Thorlabs

Фотодиоды

Принцип работы

Фотодиод – быстродействующее линейное устройство, которое обладает высокой квантовой эффективностью, и генерирует фототок, когда свет поглощается в обедненной области полупроводникового перехода. На рис. 1 представлена эквивалентная схема, отражающая принцип работы фотодиода.


Рис.1 Эквивалентная схема фотодиода

Уровень выходного тока фотодиода определяется по формуле: 

Основные понятия

Чувствительность фотодиода определяется как отношение генерируемого фототока (IPD) к мощности (P) падающего излучения на заданной длине волны.


Режимы работы (Фотодиодный и Фотогальванический)

Фотодиоды могут работать в двух режимах: фотогальваническом (без внещнего источника эдс) и фотодиодном (с подачей на p- n- переход обратного смещения от внешнего источника эдс). Выбор режима работы зависит от требований к быстродействию и допустимого значения темнового тока (ток обратно смещенного p-n перехода)

Фотодиодный режим

В фотодиодном режиме используется источник питания, который смещает фотодиод в обратном направлении (фотодетекторы DET серии от компании Thorlabs). При этом через фотодиод течет обратный ток, пропорциональный падающей мощности излучения. Приложение напряжения обратного смещения расширяет обедненный слой, что приводит к уменьшению емкости перехода и обеспечивает линейность отклика. Работа в фотодиодном режиме характеризуется большими значениями темнового тока. Его величина зависит от материала полупроводника.

Фотогальванический режим

В фотогальваническом режиме фотодиод работает без внешнего источника питания (напряжение обратного смещения отсутствует). Принцип действия фотодиода в этом режиме основан на фотогальваническом эффекте. В таком режиме он может работать в качестве датчика или в качестве элемента питания (солнечной батареи). В фотогальваническом режиме темнового тока принимает минимальные значения.

Темновой ток

Темновой ток – это ток утечки, который растет при увеличении напряжения обратного смещения. При работе в фотодиодном режиме наблюдаются более высокие значения темнового тока, которые зависят от температуры окружающей среды. При увеличении температуры на 10 °C величина темнового тока увеличивается примерно в 2 раза, а шунтирующее сопротивление удваивается при увеличении температуры на 6 °C. Чем выше напряжение смещения, тем меньше емкость перехода, но тем больше величина темнового тока.

Темновой ток также зависит от материала полупроводника и размера активной области. Например, у кремниевых фотодиодов значения темнового тока значительно ниже, чем у германиевых. В таблице ниже представлены различные полупроводниковые материалы и их относительные значения темнового тока, чувствительности, быстродействия и стоимости.

Материал

Темновой ток

Быстродействие

Спектральный диапазон

Стоимость

Кремний (Si)

Низкий

Высокое

Видимый – Ближний ИК

Низкая

Германий (Ge)

Высокий

Низкое

Ближний ИК

Низкая

Фосфид галлия (GaP)

Низкий

Высокое

УФ — Видимый

Средняя

Арсенид галлия-индия (InGaAs)

Низкий

Высокое

Ближний ИК

Средняя

Антимонид арсенида индия (InAsSb)

Высокий

Низкое

Ближний – Средний ИК

Высокая

Кадмий-ртуть-теллур (MCT, HgCdTe)

Высокий

Низкое

Ближний – Средний ИК

Высокая

Емкость перехода

Емкость перехода (Cj) является важной характеристикой фотодиода и имеет большое влияние на быстродействие и ширину полосы пропускания фотоприемника. Следует отметить, что емкость p-n перехода зависит от его площади и ширины (она тем больше, чем больше площадь перехода). Приложение напряжения обратного смещения приводит к увеличению ширины обедненного слоя, и таким образом к уменьшению емкости и росту быстродействия.

Ширина полосы пропускания и отклик

Нагрузочное сопротивление (RLOAD) и емкость перехода влияют на частотную характеристику фотодетектора. Ширину полосы пропускания (fBW) и время нарастания (tr) можно оценить по формулам:


Эквивалентная мощность шума (NEP)

Эквивалентная мощность шума (NEP) это среднеквадратическое значение генерируемого напряжения, когда отношение сигнал/шум равно единице. Данная величина характеризует способность детектора регистрировать слабые световые сигналы. Эквивалентная мощность шума возрастает при увеличении площади активной области и определяется по формуле:


, где S/N – отношение сигнал/шум, Δf — ширина шумовой полосы частот, Incident Energy – энергия светового потока (единицы измерения Вт/см2).

Согласованное нагрузочное сопротивление

Нагрузочное сопротивление используется для преобразования генерируемого фототока в напряжение (VOUT):


В зависимости от типа фотодиода сопротивление нагрузки может повлиять на скорость отклика. Для обеспечения оптимальной ширины полосы пропускания компания Thorlabs рекомендует использовать коаксиальный кабель (50 Ом) с терминатором на 50 Ом. Это минимизирует паразитные затухающие колебания благодаря согласованной нагрузке. Если ширина полосы пропускания не важна, то выходное напряжение можно увеличить путем увеличения нагрузки (RLOAD). При несогласованной нагрузке длина коаксиального кабеля может иметь большое влияние на отклик фотодетектора, поэтому рекомендуется использовать короткий кабель.

Шунтирующее сопротивление

Шунтирующее сопротивление – это сопротивление несмещенного перехода. Идеальный фотодиод будет иметь бесконечное шунтирующее сопротивление, но реальные приборы имеют сопротивление порядка 10 Ом – 1000 МОм, значение которого зависит от материала фотодиода. Например, InGaAs детекторы обладают шунтирующим сопротивлением порядка 10 МОм, тогда как сопротивление Ge детектора составляет несколько кОм. Это может существенно повлиять на уровень шума, но для большинства приложений высокое сопротивление оказывает незначительное влияние и им можно пренебречь.

Последовательное сопротивление

Последовательное сопротивление определяется сопротивлением полупроводникового материала. Оно пренебрежимо мало, и его влиянием в большинстве случаев можно пренебречь. Последовательное сопротивление возникает благодаря контактам и проводным соединениям фотодиода. В основном оно используется для определения линейности фотодиода при нулевом смещении.

Стандартные схемы детекторов


Рис.2 Схема детекторов с обратно смещенным диодом (детекторы DET серии)

На рис.2 представлена схема, отражающая принцип работы детекторов DET серии с обратно смещенным фотодиодом. Величина генерируемого фототока зависит от светового потока и длины волны излучения. При подключении нагрузочного сопротивления данную величину можно наблюдать с помощью осциллографа. Функция RC-фильтра заключается в подавлении высокочастотного шума источника питания.


Рис.3 Схема детектора с усилителем

При использовании схемы фотоприемников с усилителем пользователь может выбирать режим работы фотодиода (фотогальванический или фотодиодный). Каждый режим обладает своими преимуществами:

— Фотогальванический режим: в фотогальваническом режиме к диоду не прикладывается напряжение, и потенциал на входе A операционного усилителя равен потенциалу в точке B. При работе в таком режиме темновой ток пренебрежимо мал.

— Фотодиодный режим: в фотодиодном режиме к p-n переходу приложено напряжение обратного смещения, что уменьшает емкость перехода и увеличивает полосу пропускания. Усиление зависит от резистора обратной связи (Rf). Ширина полосы пропускания детектора определяется по формуле:


, где GBP – это произведение коэффициента усиления на ширину полосы пропускания ОУ, CD – сумма емкости перехода и усилителя.

Частота модуляции

Спектральная плотность шума большинства детекторов, включая PbS, PbSe, HgCdTe (MCT) и InAsSb, имеет зависимость вида 1/f (шум уменьшается при увеличении частоты), что оказывает значительное влияние на постоянную времени в области низких частот.

Таким образом, частота модуляции (скорость изменения интенсивности) излучения оказывает влияние на чувствительность прибора. Оптимальные значения характеристик фотоприемника достигаются при частоте:

 

Срок службы батареи

При использовании фотодетектора, работающего от батареи, важно понимать, каков срок службы аккумулятора и как он влияет на работу детектора. Выходной ток детектора прямо пропорционален потоку падающего излучения. Большинство пользователей преобразуют этот ток в напряжение с помощью согласованной нагрузки. Величина сопротивления приблизительно равна коэффициенту усиления схемы. Для высокоскоростных детекторов, например, таких как DET08, необходимо использовать нагрузку с сопротивлением 50 Ом для согласованности с импедансом стандартных коаксиальных кабелей. Это позволит уменьшить обратные отражения и улучшить качество выходного сигнала.

Срок службы батареи напрямую зависит от тока в детекторе. Большинство производителей батареек выражают срок службы батарейки в мА*ч (миллиампер-час). Например, если аккумулятор рассчитан на 190 мА*ч, он будет работать в течении 190 ч при потреблении тока 1. 0 мА.

Пусть источник, излучение которого падает на детектор, работает на длине волны 780 нм со средней мощностью 1мВт. Чувствительность детектора на данный длине волны 0.5 А/Вт. Фототок можно рассчитать по формуле:


Таким образом срок службы батареи равен:


или 16 дней непрерывной работы. При уменьшении средней мощности падающего излучения до 10 мкВт, срок службы той же батарейки увеличится до 4 лет непрерывной работы. При использовании рекомендуемой согласованной нагрузки в 50 Ом, фототок (0.5 мА) преобразуется в напряжение:Если величина мощности падающего излучения уменьшится до 40 мкВт, то выходное напряжение станет равно 1 мВт. Для некоторых измерительных устройств, данное значение может оказаться слишком маленьким, поэтому необходимо искать компромисс между сроком службы батареи и точностью проводимых измерений.

При использовании детекторов на батарейках необходимо использовать излучение малой интенсивности, учитывая минимально необходимый уровень напряжения. Также важно помнить, что батарейка перестанет производить ток не сразу, как только приблизится к концу срока своей службы. Сначала напряжение батарейки упадет, и электрический потенциал, прикладываемый к фотодиоду уменьшится. А это в свою очередь приведет к увеличению времени отклика детектора и уменьшению ширины полосы пропускания.

Таким образом, важно убедиться, что батарейка обеспечивает достаточное напряжение для оптимальной работы детектора.

Для задач, в которых детекторы DET серии, облучаются непрерывно источником достаточно высокой мощности, или постоянная замена батарей является неприемлемой, компания Thorlabs предлагает адаптер DET1B и источник питания. Недостатком этого варианта является шум, который добавится к выходному сигналу и может увеличить погрешность измерений.

PbS и PbSe детекторы

Детекторы на основе сульфида свинца (PbS) и селенида свинца (PbSe) широко используются для регистрации излучения в диапазоне от 1000 до 4800 нм. Тогда как фотодиод генерируют ток под воздействием света, у фоторезистора при облучении изменяется величина сопротивления. Хотя PbS и PbSe детекторы можно использовать при комнатной температуре, температурные флуктуации будут оказывать воздействие на темновое сопротивление, чувствительность и быстродействие прибора.

Принцип работы

При поглощении света в фотопроводящем материале возникают избыточные носители заряда, приводящие к увеличению проводимости и уменьшению сопротивления. Изменение сопротивления приведет изменению величина измеряемого напряжения. На рис. представлена схема, отражающая принцип работы детекторов на основе фотопроводящих материалов. Следует отметить, что представленная схема не рекомендуется для применения на практике из-за присутствия низкочастотных шумов.


Механизм детектирования основан на проводимости тонкой пленки светочувствительного элемента. Сигнал на выходе детектора при отсутствии падающего излучения определяется уравнением:


Изменение напряжения на выходе ΔVOUT происходит из-за изменения сопротивления ΔRDark, когда свет попадает на активную область датчика:


Частотная характеристика

Для детекторов зависимость чувствительности от частоты модуляции света имеет вид:


, где fcчастота модуляции, R0 – чувствительность при частоте 0 Гц, τr– время нарастания.

Воздействие температуры

Светочувствительный элемент PbS и PbSe детекторов представляет собой тонкую пленку на стеклянной подложке. Форма и активная область фотопроводящего элемента меняются в зависимости от условий эксплуатации, таким образом изменяя и другие характеристики. В частности, чувствительность детектора будет изменяться в зависимости от рабочей температуры.

Охлаждение детектора сместит спектральный диапазон чувствительности в область более длинных волн. Для получения оптимальных результатов рекомендуется использовать представленные детекторы в условиях контроля параметров окружающей среды.

Схема детектора на основе фотопроводящего материала с усилителем

Из-за шумовых характеристик предпочтительнее включение фоторезистора в цепь переменного тока. При включении фоторезистора в цепь постоянного тока шум, обусловленный приложенным напряжением, будет увеличиваться с ростом напряжения, таким образом, ограничивая чувствительность детектора. Для поддержания стабильности характеристик и получения высоких значений коэффициента усиления сигнала необходимо использовать предусилитель.


Согласно схеме (рис. выше), операционный усилитель (ОУ) стремится сравнять потенциалы в точках A и B с помощью контура обратной связи. Разница напряжений на входе ОУ усиливается и передается на выход. Следует отметить, что высокочастотный фильтр на входе усилителя не пропускает сигнал постоянного тока. Кроме того, нагрузочное сопротивление должно быть равно темновому сопротивлению детектора, чтобы обеспечить получение максимального сигнала. Величина напряжения источника питания (+V) должна быть такой, чтобы величина отношения сигнал/шум была оптимальной и приближалась к единице. Некоторые задачи требуют более высокого уровня напряжения, что приведет к увеличению уровня шума. Напряжение на выходе определяется по формуле:

Отношение сигнал/шум

Поскольку уровень шума детектора обратно пропорционален частоте модуляции сигнала, шум будет возрастать на малых частотах. Сигнал на выходе детектора линейно увеличивается при увеличении напряжения смещения, однако шумовые характеристики мало зависят от напряжения смещения при его низком уровне. При достижении определенного уровня напряжения смещения, шум детектора начнет линейно увеличиваться с ростом напряжения. При высоких значениях напряжения шум начнет расти экспоненциально, уменьшая отношение сигнал шум. Для обеспечения оптимального уровня сигнал/шум необходимо регулировать частоту модуляции сигнала и напряжение смещения.

Темновое сопротивление

Темновое сопротивление – это сопротивление детектора при отсутствии освещения. Следует отметить, что темновое сопротивление будет увеличиваться или уменьшается при изменении температуры. Охлаждение детектора будет снижать величину темнового сопротивления.

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

Обнаружительная способность (D) — это еще одна величина, используемая для оценки эффективности фотоприемника. Обнаружительная способность характеризует чувствительность и обратно пропорциональна эквивалентной мощности шума (NEP):


Чем выше значение обнаружительной способности, тем выше чувствительность, то есть детектор способен регистрировать слабые сигналы. Обнаружительная способность зависит от длины волны падающих фотонов.

NEP детектора, а следовательно и его обнаружительная способность зависят от активной области, поэтому сравнение свойств двух детекторов является непростой задачей. Чтобы избавится от этой зависимости, используют удельную обнаружительную способность (D*), которая не зависит от площади детектора и используется для оценки эффективности фотоприемника. В уравнении ниже, А – площадь фоточувствительной области. 

Позиционно-чувствительные детекторы

Двумерные позиционно-чувствительные датчики

Обзор

Двумерные позиционно-чувствительные датчики позволяют измерить положение, расстояние перемещения или углы падения пучка, а также они могут использоваться в качестве обратной связи в системах юстирования, например, для контроля положения зеркал, фокусировки микроскопа, и т. д. Детектор определяет положение светового пятна на основе пропорционального распределения фототока, который генерируется в месте падения светового луча. Существует два типа двумерных позиционно-чувствительных датчиков: с двухсторонним расположением электродов и с четырехсторонним расположением электродов.

Датчики с двухсторонним расположением электродов обладают резистивными слоями, нанесенными с обеих сторон подложки. Датчик имеет четыре вывода. Фототок распределяется на две входных и две выходных компоненты. Распределение выходных токов определяет положение координаты Y, а распределение входных –координаты X положения пучка.


Датчики с четырехсторонним расположением электродов обладают одним чувствительным резистивным слоем, расположенным с одной стороны подложки. Такие датчики значительно дешевле датчиков с двухсторонним расположением электродов. Однако линейность отклика этих датчиков падает по мере удаления пучка от центра. Это связано с расположением анодов по периметру сенсора, особенно нелинейность заметна в углах датчика, где аноды приближаются друг к другу. Компания Thorlabs использует один из вариантов датчиков с четырехсторонним расположением электродов – датчик в форме «подушечки». Модель такого датчика представлена на рисунке сверху. Аноды перемещаются в углы датчика, фигурная форма электродов обеспечивает компенсацию искажений сигнала вблизи периметра. Такая модель обладает линейностью на уровне датчиков с двухсторонним расположением электродов, но значительно меньшей стоимостью.

Принцип вычисления положения луча

PDP90A детектор от компании Thorlabs оснащен схемой для вычисления Δx, Δy и суммы сигналов по формулам:


Согласно этим формулам расстояние в единицах измерения длины можно вычислить с помощью уравнений:


где x и y – это расстояния от центра до края сенсора, Lx и Ly – характерные размеры резистивного слоя. Для PDP90A детектора Lx = Ly = 10 мм. Следует отметить, что размеры резистивного слоя не соответствуют размерам активной области датчика. Активная область обозначена на рисунке серым цветом.

Погрешность определения положения

В отличие от квадрантных датчиков, где требуется перекрытие всех четырех активных областей, представленные датчики позволяют получить информацию о нахождении пучка в любой точке детектора не зависимо от формы, размера и распределения мощности в пучке. Датчик определяет положение центра пятна света до тех пор, пока пятно находится на светочувствительной области. Если часть светового пятна покидает светочувствительную поверхность, это приведет к сдвигу центра, и измерения станут ненадежными.

К ошибкам в измерении положения пучка также может привести уровень внешней освещенности. Для уменьшения погрешностей измерения лучше проводить в темноте. Использование фокусирующей оптики и диафрагм, также позволит снизить ошибки, связанные с внешней освещенностью.

Разрешение

Разрешение позиционно-чувствительного детектора – это минимальное детектируемое смещение светового пятна на поверхности сенсора датчика. Разрешение (ΔR) зависит как от размеров резистивного слоя (Lx или Ly), так и от отношения сигнал/шум (S/N). Отношение сигнал/шум этой системы можно определить как отношение суммы выходных сигналов (Vo) к напряжению шума (en). Шум на выходе детектора PDP90A составляет <2 мВ (двойная амплитуда сигнала) или 300 мкВ (среднеквадратичное значение).

 , где

ΔR – разрешение,

Lx – характерный размер резистивного слоя,

en – шумовое напряжение на выходе детектора,

Vo – сумма выходных напряжений.

Для детектора PDP90A:


Для получения оптимальных результатов значение Voнеобходимо увеличить до 4 В, что обеспечит разрешение детектора на уровне 0. 750 мкм. Для этого необходимо следить за суммарным выходным сигналом (SUM) сенсора и одновременно регулировать интенсивность падающего излучения, пока напряжение на выходе не станет равно 4 В. Напряжение более 4 В приведет к насыщению системы и, следовательно, к ошибкам в измерениях. С помощью поставляемого программного обеспечения можно легко осуществлять контроль уровня напряжения. Если суммарное напряжение выше уровня насыщения, то ползунок, отображающий уровень суммарного напряжения, станет красным. В этом случае необходимо уменьшить интенсивность излучения до уровня, при котором цвет ползунка станет зеленым. Данное значение будет соответствовать 4 В выходного напряжения.

Позиционно-чувствительный детектор на основе квадрантных фотодиодов

Сенсор такого детектора состоит из четырех идентичных квадрантных фотодиода, которые разделены зазором ~0.1 мм и вместе образуют круглую зону детектирования для определения положения падающего пучка (в формате 2D). При попадании света на сенсор фототок генерируется в каждой области (на рис. Q1, Q2, Q3 и Q4). На основе этих сигналов с помощью АЦП вычисляются разностные сигналы. Также вычисляется сумма всех четырех сигналов для нормировки. Нормированные координаты (Х, У) положения пучка определяются с помощью уравнений:



Если симметричный пучок падает в центр сенсора, то система на выходе зарегистрирует 4 одинаковых фототока, т.е. разностные сигналы будут равны 0, а нормированные координаты (X, Y) = (0, 0). Фототоки изменятся, если пучок сдвинуть относительно центра. В этом случае разностные токи не будут раны 0.

Детекторы на основе квадрантных фотодиодов очень точные и отлично подходят для систем автоюстировки. Однако необходимо следить за формой и распределением интенсивности в пучке, т.к. данный вид детекторов чувствителен к этим параметрам. Для пучков, распределение мощности в которых не является Гауссовым, центр будет определяется на основе распределения мощности (не геометрический центр пучка). Для таких пучков предпочтительнее использовать детекторы, описанные в предыдущем пункте.

Счетчики одиночных фотонов

Лавинные фотодиоды в режиме Гейгера обладают способностью детектировать одиночные фотоны. Чувствительность на уровне одиночных фотонов может быть достигнута за счет увеличения напряжения смещения выше напряжения пробоя (т. А на рис.4). Лавинный фотодиод будет оставаться в метастабильном состоянии, пока не поглотиться фотон, который приведет к генерации лавины (т. B). Эта лавина гасится с помощью активной схемы гашения в фотодиоде (т. C), которая понижает напряжение смещения до значений ниже напряжения пробоя (VBR).


Рис.4: Вольтамперная характеристика лавинного фотодиода в режиме Гейгера

После этого высокое значение напряжения смещения может быть восстановлено. В течении описанного процесса, которое известно как мертвое время диода, лавинный фотодиод нечувствителен к любым падающим фотонам. Когда диод находится в метастабильном состоянии, возможно спонтанное формирование лавин. Если спонтанное формирование лавин происходит хаотично, то зарегистрированный сигнал называется темновым отсчетом. Если спонтанное формирование лавин по времени коррелирует с импульсами от падающих фотонов, то такой сигнал называется послеимпульсом. Чтобы избежать регистрации послеимпульсов при проведении измерений, можно ввести дополнительное мертвое время программными средствами (с помощью ПО), что приведет к игнорированию счетчиком всех импульсов, возникших в течении этого времени.

Основные характеристики и понятия

Режим Гейгера

В этом режиме диод работает при напряжении смещения выше напряжения пробоя. Следовательно, одна электрон-дырочная пара (сгенерированная в результате поглощения фотона или тепловых флуктуаций) может вызвать лавинный процесс.

Скорость темнового счета

Это средний показатель зарегистрированных отсчетов при отсутствии падающего излучения, который определяет минимальную скорость счета, при которой зарегистрированный сигнал в основном вызван реальными фотонами. Регистрация ложных фотонов в основном связана с тепловыми флуктуациями и таким образом, ее можно избежать с помощью использования охлаждаемых детекторов

Активное гашение происходит, когда дискриминатор регистрирует возникновение лавинного тока и резко уменьшает напряжение смещения до значений ниже напряжения пробоя. При подготовке к регистрации следующего фотона напряжение смещения снова увеличивается до значений выше напряжения пробоя.

Мертвое время – это временной интервал, который необходим детектору для восстановления состояния, при котором он может регистрировать события без искажений. В течении этого времени он не видит падающих фотонов. Часть мертвого времени, связанная с активной схемой гашения, может быть определена как отношение пропущенных фотонов к падающим.

Послеимпульсы

Во время лавинного процесса некоторые заряды могут быть захвачены ловушками. При освобождении эти заряды могут привести к формированию лавины. Такие «ложные события» называют послеимпульсами (Afterpulses). Время жизни таких захваченных зарядов составляет порядка нескольких десятых микросекунды. Следовательно, возникновение послеимпульсов более вероятно непосредственно после импульса от реального фотона.

Основные модели фотодетекторов от компании Thorlabs

В таблице представлены модели фотодетекторов от компании Thorlabs. Модели, расположенные в одной и той же строке, оснащены одинаковыми светочувствительными элементами.

Примечания:

aКалиброванный фотодиод

bКорпус TO-46

cКорпус TO-46 + разъем FC/PC

ФЭУ

Принцип работы

С момента появления первых коммерческих ФЭУ в 1940 году, этот вид детекторов остается одним из самых популярных при проведении экспериментов, в которых требуется малое время отклика и высокая чувствительность. Сегодня ФЭУ незаменимы при проведении исследований в области аналитической химии, физики элементарных частиц, астрономии, атомной и молекулярной физики, а также в медицине и контроле производственных процессов.

Фотоэлектронные умножители (ФЭУ) – это чувствительные детекторы с высоким коэффициентом усиления, выходной ток которых пропорционален падающему излучению. ФЭУ состоит из стеклянной вакуумной трубки, в которой расположены фотокатод (фотоэмиссионный материал), 8-14 динодов (вторичная эмиссия) и анод (коллектор вторичных электронов). Если фотон с достаточно высокой энергией (т.е. с энергией больше энергии связи электронов материала фотокатода) падает на фотокатод, то он поглощается и испускается электрон (фотоэффект). Поскольку на первом диноде потенциал выше, чем потенциал на катоде (между этими элементами создается разность потенциалов), то выпущенный электрон ускоряется в электрическом поле и направляется на систему динодов, где за счет вторичной (ударной) электронной эмиссии образуют нарастающую от динода к диноду электронную лавину, поступающую на анод. Как правило, каждый динод обладает потенциалом, который на 100 – 200 В выше, чем потенциал предыдущего динода. Ток анода преобразуют в напряжение, для этого нагрузку с малым сопротивлением включают в цепь между анодом и землей. ФЭУ PMM01 и PMM02 от компании Thorlabs используют трансимпедансный усилитель (TIA) для преобразования тока анода (нА или мкА) в напряжение (мВ или В). Модули PMTSS, PMTSS2, и PMTSS2-SCM не содержат трансимпедансного усилителя.

Например, если ФЭУ состоит из 8 динодов, как показано на рис. ниже и каждый электрон приводит к появлению 4 вторичных электронов, то усиление тока после системы динодов будет составлять 48 ≈ 66,000. В приведенном примере, каждый фотоэлектрон приводит к появлению лавины с зарядом Q = 48e, которая приходит на анод. Импульс напряжения при этом равен V = Q/C = 48e /C, где C – емкость анода. Если емкость равна 5 пФ, то напряжение импульса на выходе будет равно 2.1 мВ.


Спектральная чувствительность

При выборе ФЭУ необходимо обратить внимание на материал фотокатода, т.к. он определяет длинноволновую границу спектральной чувствительности. Коротковолновая граница определяется материалом окна. Сегодня изготавливают различные виды ФЭУ для работы в диапазоне от УФ до ИК, при этом используют различные материалы фотокатода, каждый из который предназначен для работы в определенном спектральном диапазоне.

Квантовая эффективность (QE) – это величина, выражаемая в %, которая характеризует способность ФЭУ преобразовывать падающие фотоны в электроны. Например, QE равно 20%. Это означает, что один из 5 фотонов, падающих на фотокатод, приведет к появлению фотоэлектронов. Для задач счета фотонов, желательно иметь ФЭУ с высоким показателем квантовой эффективности. Поскольку QE зависит от длины волны, необходимо подобрать ФЭУ, с максимальной квантовой эффективностью в интересующем спектральном диапазоне. Следует отметить, что фотокатоды для видимой области спектра, как правило, обладают QE <30%.

Вычислить квантовую эффективность ФЭУ можно по формуле:


где S – это интегральная чувствительность [А/Вт], λ – длина волны [нм].

Конфигурация ФЭУ

Доступны две основные конфигурации ФЭУ: входное окно располагается на торце или на боковой стенке вакуумной колбы. В случае, когда входное окно расположено на торце, ФЭУ оснащен полупрозрачными фотокатодами и характеризуется большой площадью активной области, пространственной однородностью, и более высокой производительностью в синей и зеленой областях спектра. Такая конфигурация предпочтительнее для применений, требующих широкой спектральной чувствительности, таких как спектроскопия. В ФЭУ с боковым окном используют непрозрачные фотокатоды, такая конфигурация чаще всего используется при работе в УФ и ИК диапазоне. Конфигурация с боковым окном дешевле, чем конфигурация с окном на торце, и часто используется для задач, требующих высокой квантовой эффективности, таких как сцинтилляционные измерения.

8-14 динодов располагают линейно или по кругу. При линейном расположении (как показано на рис.) ФЭУ обладает малым временем отклика, высоким разрешением и линейностью. Диноды располагаются по кругу в ФЭУ с боковым окном и в некоторых ФЭУ с торцевым окном, при этом система обладает компактными размерами и малым временем отклика.

Коэффициент усиления

ФЭУ – уникальны, так как способны усиливать очень слабые сигналы от фотокатода до детектируемого уровня выше шума считывания без внесения существенных помех. За усиление сигнала в ФЭУ отвечают диноды, и коэффициент усиления зависит от прилагаемого напряжения. ФЭУ может работать при напряжениях, превышающих значения, рекомендуемые производителем, обеспечивая при этом коэффициент усиления в 10-100 раз выше указанного в спецификации. При работе в таком режиме на ФЭУ не оказывается негативного влияния, если ток анода ниже предельно допустимых значений.

Темновой ток

В случае идеального ФЭУ, все сигналы, производимые фотокатодом, являются следствием попадания в трубку света. Однако, настоящие ФЭУ генерируют ток даже в отсутствии падающего излучения. Сигнал, генерируемый ФЭУ в отсутствии света, называется темновым током. Этот сигнал сильно снижает отношение сигнал/шум ФЭУ. Темновой ток главным образом обусловлен термоэлектронной эмиссией электронов из фотокатода и нескольких первых динодов, и в меньшей степени космическими лучами и радиацией. ФЭУ, разработанные для применений в красной области спектра, обладают более высокими значениями темнового тока, чем другие ФЭУ, за счет малых значений энергии связи электронов в фотокатодах, обладающих чувствительностью в красной области спектра.

Термоэлектронная эмиссия зависит от температуры фотокатода и работы выхода, а значит охлаждение ФЭУ может значительно снизить темновой ток. При использовании ФЭУ с термоэлектрическим охлаждением следует избегать конденсации на входном окне, так как влага уменьшит количество света, падающего на фотокатод. Кроме того, необходимо избегать чрезмерного охлаждения, так как это может привести к негативным последствиям: уменьшение уровня сигнала или напряжения на катоде, т.к. сопротивление катодной пленки обратно пропорционально температуре.

Время Нарастания

Для экспериментов, требующих высокого временного разрешения, время нарастания должно быть коротким. Время нарастания импульса тока анода чаще всего используется в качестве характеристики быстродействия ФЭУ. В конечном счете, время нарастания импульса определяется временем распространения разных электронов. Оно отличается по нескольким причинам. Во-первых, начальные скорости вторичных электронов различаются. т.к. они выбиваются из разных по глубине мест материала динодов. Некоторые электроны вылетая обладают ненулевой начальной энергией, поэтому достигнут следующего динода за более короткое время. Время пролета электронов также будет зависеть от длины пути. В результате всех этих эффектов, время нарастания импульса анодного тока будет уменьшаться с увеличением напряжения как V-1/2.

Другие факторы

При работе с ФЭУ следует тщательно выбирать электронику, которая будет использоваться. Даже небольшие флуктуации высокого напряжения, прилагаемого между катодом и анодом могут сильно повлиять на выходной сигнал. Кроме того, условия окружающей среды также могут влиять на работу ФЭУ. Изменения температуры и влажности, а также вибрации негативно влияют на производительность ФЭУ. Корпус ФЭУ также имеет большое значение, он не только защищает трубку от постороннего света, но и снижает влияние внешних магнитных полей. Поле с магнитной индукцией в несколько гауссов, может уменьшить коэффициент усиления. Этого можно избежать путем использования магнитного экрана из материала с высокой магнитной проницаемостью.

 

Фотодиоды: устройство, характеристики и принципы работы

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.

устройство, характеристики и принципы работы / Публикации / Energoboard.ru

Разместить публикацию Мои публикации Написать
18 июня 2012 в 10:00

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

В равновесном состоянии, когда поток излучения полностью отсутствует, концентрация носителей, распределение потенциала и энергетическая зонная диаграмма фотодиода полностью соответствуют обычной p-n-структуре.

При воздействии излучения в направлении, перпендикулярном плоскости p-n-перехода, в результате поглощения фотонов с энергией, большей, чем ширина запрещенной зоны, в n-области возникают электронно-дырочные пары. Эти электроны и дырки называют фотоносителями.

При диффузии фотоносителей в глубь n-области основная доля электронов и дырок не успевает рекомбинировать и доходит до границы p–n-перехода. Здесь фотоносители разделяются электрическим полем p–n-перехода, причем дырки переходят в p-область, а электроны не могут преодолеть поле перехода и скапливаются у границы p–n-перехода и n-области.

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

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

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

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

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

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

 

 

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

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

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

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

 

 

Кроме фотодиодов, применяются фоторезисторы (рис 2), фототранзисторы и фототиристоры, в которых используется внутренний фотоэффект. Характерным недостатком их является высокая инерционность (граничная рабочая частота fгр < 10 — 16 кГц), что ограничивает их применение.

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

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

 

 

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

13 марта в 00:46 50

12 марта в 12:25 46

11 марта в 20:37 33

11 марта в 20:37 49

11 марта в 20:36 39

11 марта в 20:36 36

11 марта в 18:43 36

10 марта в 19:46 55

10 марта в 19:45 39

10 марта в 17:46 58

4 июня 2012 в 11:00 168725

12 июля 2011 в 08:56 37441

28 ноября 2011 в 10:00 26203

21 июля 2011 в 10:00 17214

16 августа 2012 в 16:00 15698

29 февраля 2012 в 10:00 15697

24 мая 2017 в 10:00 14140

14 ноября 2012 в 10:00 13576

25 декабря 2012 в 10:00 11415

27 февраля 2013 в 10:00 9757

1

19. Приёмники излучения волоконно-оптической линии связи (типы, принцип работы).

Приемные оптоэлектронные модули (ПРОМ) являются важными элементами ВОЛС. Их функция — преобразование оптического сигнала, принятого из волокна, в электрический. Последний обрабатывается далее электронными устройства.

Основными функциональными элементами ПРОМ являются: фотоприемник, преобразующий полученный оптический сигнал в электрическую форму; каскад электрических усилителей, усиливающих сигнал и преобразующих его в форму, пригодную к обработке; демодулятор, воспроизводящий первоначальную форму сигнала.

На рис.1.26 приведены функциональные элементы цифрового ПРОМ. Электронные элементы ПРОМ выполняют следующие функции: предварительное усиление сигнала с минимальными  вносимыми шумами; окончательное усиление сигнала; выравнивание сигнала — восстановление правильного соотношения амплитуды в низкой и высокой областях спектра; фильтрация — увеличение отношения сигнал/шум посредством избирательного подавления шумов; дискриминация — восстановление прямоугольной формы передаваемого сигнала.

Рис.1.26.

Среди всех типов фотоприемников выделяют полупроводниковые фотодиоды.

Фотодиод — фоточувствительный полупроводниковый диод с p-n переходом, при освещении которого возникают  электронно-дырочные пары обеспечивающие формирование фототока.

Фотодиоды в оптических системах связи работают в режиме с обратным смещением p-n перехода (к p-области приложен отрицательный потенциал, а к n-области — положительный). Приложенное электрическое поле создает  обедненное пространство (обедненный слой) по обе стороны p-n перехода. Носители тока (электроны, дырки) — уходят из области p-n перехода (электроны смещаются к отрицательному участку полупроводника, а дырки к положительному). Обедненный слой не имеет свободных носителей, поэтому его сопротивление очень большое. При поглощении падающего фотона связанному электрону передается энергия для перехода из валентной зоны в зону проводимости, при этом образуется пара электрон-дырка. Если это происходит в обедненном слое, носители быстро разделяются и смещаются в противоположных направлениях, что вызывает появление фототока. Когда носители достигают границы обедненного слоя, где электрическое поле становится малым, то их движение прекращается.

Материал

Диапазон принимаемых длин волн, мкм

Квантовая эффективность (%) на длине волны

 

 

0.8

1.3

1.5

Si

0.4…1.0

90

1

Ge

0.6…1.6

60

55

80

Рис.1.27

Рассмотрим основные характеристики фотоприемников.

Токовая чувствительность (монохроматическая) — Si [А/Вт], определяется как , где Iф — фототок, Р(l) — полная оптическая мощность излучения на длине волны l, падающего на фоточувствительную площадку. Токовая чувствительность характеризует фотоприемник при низких частотах модуляции.

Квантовая эффективность h определяется как , где N a — количество фотонов падающих за единицу времени на приемник, Nе — количество рожденных в результате этого свободных электронов (или электронно-дырочных пар). Квантовая эффективность для различных материалов приведена в таблице ….

Между токовой чувствительностью и квантовой эффективностью существует простая связь , где е — заряд электрона (1.60 * 10-19 Кл), l — длина волны, h — постоянная Планка (6.63*10-34 Дж*сек), с — скорость света (3.00*109 м*сек-1). Характеристики Si и h используются при создании ПРОМ, когда необходимо согласовать последующий каскад электронных усилителей.

Темновой ток Iт [А] протекает при обратном смещении через нагрузку в отсутствии падающего на фотодиод излучения и зависит от материала полупроводника и температуры окружающей среды.

Время нарастания tн (спада tсп) — определяется как время, необходимое выходному сигналу, чтобы вырасти от уровня 0.1 до 0.9 (упасть от 0.9 до 0.1) от установившегося максимального значения при условии, что на входе подаются строго прямоугольные импульсы света большой длительности. Эта величина зависит от геометрии приемника, материала, напряженности электрического поля в слаболегированной области, температуры. Максимальная из двух величин берется в качестве характеристики времени отклика фотоприемника.

Эквивалентная мощность шума Рш [Вт] — определяет минимальную мощность оптического сигнала на входе фотоприемника, при которой отношение сигнал/шум равно единице, и вычисляется по формуле . По определению, Рш пропорциональна квадратному корню из полосы пропускания, но ее можно пронормировать, поделив на . Такая нормированная эквивалентная мощность шума имеет размерность Вт * Гц-1/2 и не зависит от полосы пропускания.

 Максимально допустимое обратное напряжение Uобр — напряжение, превышение которого может привести к пробою фотоприемника. Наряду с этим значением или вместо него изготовители фотоприемников указывают обратное рабочее напряжение Uобр. раб.

Рабочий диапазон температур (0С). Изменение рабочей температуры влияет на изменение квантовой эффективности и величины темнового тока фотоприемника.

Наработка на отказ (тыс.часов) — время в течение которого характеристики фотоприемника не выходят за пределы допустимых значений.


P-I-N ФОТОДИОД. На рис.1.28 приведена структурная схема p-i-n фотодиода для которого характерно наличие i- слоя (слаболегированного полупроводника n- типа) между слоями p+— и n+— типа (+ означает сильное легирование). Сильное легирование крайних слоев делает их проводящими, а максимальное значение электрического поля создаваемого в i- слое (Е»V0/ld ³ 103В/см) обеспечивает скорость дрейфа носителей » 107 см/с. Но поскольку нет свободных носителей в i- слое, нет и электрического тока. При наличии падающего излучения  в i- слое образуются свободные электронно-дырочные пары. Они под действием электрического поля быстро разделяются и двигаются в противоположных направлениях к своим электродам, образуя электрический ток. Так как фотовозбужденные носителе в p+— и n+— слоях движутся за счет диффузии, то их скорость равна »104 см/с. Этот диффузный ток является причиной ухудшения быстродействия фотодиода. При проектировании p-i-n фотодиода делают p+— слой как можно тоньше (» 0.3 мкм), ширину обедненного слоя как можно больше »10 … 20 мкм. Сравнительные характеристики p-i-n фотодиодов приведены в таблице 1.15.

 

рис.1.28.

 

ЛАВИННЫЙ ФОТОДИОД (ЛФД). Главным отличием ЛФД от обычного фотодиода является внутреннее усиление сигнала, базируемое на лавинном электронном умножении сигнала. Если структура слоев обычного фотодиода имеет вид p+-i-n+, то у ЛФД добавляется р- слой (p+-i-р-n+) рис.1.29.

рис.1.29.

Причем профиль распределения легирующих примесей  выбирается так, чтобы наибольшее сопротивление, и наибольшую напряженность электрического поля имел р- слой. При воздействии света в i- слое образуются электронно-дырочные пары. Благодаря небольшому полю происходит направленное движение носителей к соответствующим контактам. При попадании свободных носителей из i- слоя в р- слой их ускорение ставится более ощутимым из-за высокого электрического поля в р- слое. Ускоряясь в зоне проводимости р- слоя, такие электроны накапливают энергию достаточную, чтобы выбить (возбудить) другие электроны из валентной зоны в зону проводимости. Этот процесс носит название лавинного умножения.  Коэффициент умножения составляет несколько десятков, поэтому токовая чувствительность ЛФД значительно выше токовой чувствительности p-i-n фотодиода. Коэффициент умножения определяется по эмпирической формуле

 

 где U — напряжение внешнего обратного смещения, Uпр — напряжение обратного смещения, при котором наступает электрический пробой фотодиода (»50…250 В), n — число в диапазоне 3…6. ЛФД имеют высокую чувствительность, однако случайная природа лавинного тока приводит к шуму. В отличие от полезного сигнала, которой пропорционален М, шум усиливается быстрее (приблизительно как М2). В результате этого выбирается оптимальное значение коэффициента умножения: для материала Si М=50…100; материала Ge M=2…15; материала InGaAs M=10…35.

Особенностью работы ЛФД является более высокое рабочее напряжение по сравнению  c p-i-n фотодиодом и повышенная температурная чувствительность коэффициента умножения.

В таблице 1.15 приведены сравнительные характеристики фотодиодов разного типа.

Таблица 1.15

Фотоприемник

Токовая чувствительность, А/Вт

Темновой ток, нА

Время нарастания, нс

p-i-n (InGaAs)

0.8

0.1 … 3

0.01 … 5

p-i-n (Si)

0.5

10

0.1 … 5

ЛФД (InGaAs)

20 … 60

30

0.3

ЛФД (Ge)

20 … 60

400

0.3 … 1

 

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

Определение : специальный тип устройства с PN-переходом, который генерирует ток при воздействии света, известен как фотодиод. Он также известен как фотоприемник или фотосенсор. Он работает в режиме обратного смещения и преобразует световую энергию в электрическую энергию .

На рисунке ниже показано символическое изображение фотодиода:

Принцип фотодиода

Работает по принципу Фотоэлектрический эффект .

Принцип работы фотодиода таков, что когда светится переход этого двухконтактного полупроводникового прибора, через него начинает течь электрический ток. Только неосновной ток течет через устройство, когда к нему приложен определенный обратный потенциал.

Конструкция фотодиода

На рисунке ниже показаны детали конструкции фотодиода:

PN-переход устройства помещен в стеклянный материал.Это делается для того, чтобы световая энергия могла проходить через него. Поскольку излучению подвергается только переход, другая часть стеклянного материала окрашивается в черный цвет или металлизируется.

Весь блок имеет очень маленькие размеры около 2,5 мм .

Примечательно, что ток, протекающий через устройство, составляет мкА, и измеряется амперметром.

Режимы работы фотодиода

Фотодиод

в основном работает в двух режимах:

  • Фотоэлектрический режим : Он также известен как режим с нулевым смещением, поскольку на устройство не подается внешний обратный потенциал.Однако поток неосновного носителя будет иметь место, когда устройство подвергнется воздействию света.
  • Режим фотопроводимости : Когда к устройству прикладывается определенный обратный потенциал, оно ведет себя как фотопроводящее устройство. Здесь видно увеличение ширины обеднения с соответствующим изменением обратного напряжения.

Давайте теперь разберемся с детальной схемой и работой фотодиода.

Работа фотодиода

В фотодиоде через устройство протекает очень небольшой обратный ток, называемый темновым током .Он называется так, потому что этот ток полностью является результатом потока неосновных носителей заряда и, таким образом, течет, когда устройство не подвергается воздействию излучения.

Электроны на стороне p и дырки на стороне n являются неосновными носителями. Когда прикладывается определенное напряжение с обратным смещением, а затем неосновная несущая, дыры с n-стороны испытывают силу отталкивания от положительного потенциала батареи.

Точно так же электроны, присутствующие на стороне p, испытывают отталкивание от отрицательного потенциала батареи.Из-за этого движения электрон и дырка рекомбинируют на стыке, что приводит к образованию обедненной области на стыке.

Из-за этого движения через устройство протекает очень небольшой обратный ток, известный как темновой ток.

Комбинация электрона и дырки на стыке порождает нейтральный атом при обеднении. Из-за чего любое дальнейшее прохождение тока ограничено.

Теперь место соединения устройства освещено светом. Когда свет падает на поверхность соединения, температура соединения увеличивается.Это приводит к тому, что электрон и дырка отделяются друг от друга.

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

Это движение вызывает сильный обратный ток через устройство.

С увеличением интенсивности света генерируется больше носителей заряда, которые проходят через устройство. Таким образом, через устройство вырабатывается большой электрический ток.

Этот ток затем используется для управления другими цепями системы.

Итак, можно сказать, что интенсивность световой энергии прямо пропорциональна току, протекающему через устройство.

Только положительный смещенный потенциал может отключить устройство от тока в случае фотодиода.

Характеристики фотодиода

На рисунке ниже показана характеристика VI фотодиода:

Здесь вертикальная линия представляет обратный ток, протекающий через устройство, а горизонтальная линия представляет потенциал обратного смещения.

Первая кривая представляет темновой ток, который генерируется неосновными носителями в отсутствие света.

Как мы можем видеть на приведенном выше рисунке, все кривые показывают почти равные промежутки между ними. Это так, потому что ток пропорционально увеличивается со световым потоком.

На рисунке ниже показана кривая тока в зависимости от освещенности:

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

Преимущества фотодиода

  • Быстро реагирует на свет.
  • Фотодиод
  • обеспечивает высокую скорость работы.
  • Обеспечивает линейный отклик.
  • Это недорогое устройство.

Недостатки фотодиода

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

Применение фотодиода

  1. Фотодиоды в основном находят свое применение в счетчиках и схемах переключения.
  2. Фотодиоды широко используются в системах оптической связи.
  3. Логические схемы и энкодеры также используют фотодиод.
  4. Широко используется в системах охранной сигнализации. В таких системах сигнализации до тех пор, пока не будет прервано воздействие радиации, течет ток. Поскольку световая энергия не попадает на устройство, он подает сигнал тревоги.

В случае типичного фотодиода нормальный обратный ток составляет десятки микроампер.

Что такое фотодиод? Работа, характеристики, применение

Что такое фотодиод?

Это форма легкого датчика, который преобразует световую энергию в электрическое 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, фосфид арсенида галлия индия и арсенид галлия индия.

Внутри фотодиода есть оптические фильтры, встроенная линза и площадь поверхности.Увеличение площади поверхности фотодиода приводит к увеличению времени отклика. Немногие фотодиоды будут похожи на светоизлучающие диоды (LED). Он имеет два терминала, как показано ниже. Меньший вывод действует как катод, а более длинный вывод действует как анод.

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

Работа фотодиода

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

В общем, электрон будет иметь отрицательный заряд, а дырки — положительный.Энергия истощения будет построена в электрическом 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, посредством 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: фотоэлектрический, фотопроводящий и лавинный.

Фотоэлектрический режим

Это иначе называется режимом нулевого смещения. Этот режим является предпочтительным, когда фотодиод работает с низкочастотными приложениями и сверхяркими световыми приборами.Когда фотодиод освещается вспышкой света, возникает напряжение. Создаваемое напряжение будет находиться в очень маленьком динамическом диапазоне и имеет 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 режиме фотопроводимости .

Режим лавинного диода

В этом режиме лавинный диод работает в условиях высокого обратного смещения.Это позволяет увеличить лавинный пробой каждой фотоэлектронно-дырочной пары. Следовательно, это приводит к внутреннему усилению 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

V-I Характеристики фотодиода

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

Применение фотодиода

  • В простых повседневных применениях используются фотодиоды.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 применяются в электронике безопасности, например, в пожарных и дымовых извещателях. Он также используется в телевизионных установках.
  • При использовании в камерах они действуют как фотодатчики. Он используется в сцинтилляторах устройств с зарядовой связью, фотопроводниках и фотоэлектронных умножителях.
  • Фотодиоды
  • также широко используются во многих медицинских приложениях, таких как инструменты для анализа образцов, детекторы для компьютерной томографии, а также используются в мониторах газов крови.

Конструкция, типы, работа и применение

Фотодиод — это диод с PN-переходом, который потребляет световую энергию для выработки электрического тока. Иногда его еще называют фотодетектором, светоприемником и фотодатчиком. Эти диоды специально 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, поскольку он преобразует солнечную энергию в электрическую. Однако солнечная батарея работает только при ярком свете.

Что такое фотодиод?

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

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

Типы фотодиодов

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

PN Фотодиод

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

PIN Фотодиод

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

Лавинный фотодиод

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

Фотодиод Шоттки

Фотодиод Шоттки использует диод Шоттки, и он включает в себя небольшой диодный переход, что означает небольшую емкость перехода, поэтому он работает на высоких скоростях. Таким образом, этот вид фотодиодов часто используется в системах оптической связи с высокой пропускной способностью (BW), таких как 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-тип и N-тип. В этой конструкции образование материала P-типа может быть выполнено за счет диффузии подложки P-типа, которая слегка легирована. Таким образом, слой ионов P + может быть сформирован благодаря диффузионному методу. На подложке N-типа можно выращивать эпитаксиальный слой N-типа.

Конструкция фотодиода

Создание диффузионного слоя P + может быть выполнено поверх сильно легированного эпитаксиального слоя N-типа.Контакты сделаны из металлов, чтобы образовать 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 этой области движутся к аноду, а электроны движутся к катоду, и возникает фототок.Полный ток через диод — это сумма отсутствия света и фототока. Таким образом, отсутствующий ток должен быть уменьшен, чтобы максимизировать чувствительность устройства.

Режимы работы

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

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

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

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

Почему фотодиод работает в режиме обратного смещения?

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

Какой фотодиод или фототранзистор лучше?

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

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

Фотодиод

Фототранзистор

Полупроводниковое устройство, преобразующее энергию света в электрический ток, называется фотодиодом. Фототранзистор используется для преобразования энергии света в электрический ток с помощью транзистора.
Он генерирует как ток, так и напряжение Он генерирует ток
Время отклика — скорость Время отклика низкое
Он менее отзывчив 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, величина тока, генерируемого фотодиодом, будет чрезвычайно мала, 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 (э / 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.

Фотодиод PIN 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. 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
  • Хороший спектральный отклик
  • Не использует высокое напряжение
  • Частотная характеристика хорошая
  • Прочный и легкий
  • Он очень чувствителен к свету.
  • Темновой ток отсутствует
  • Высокая квантовая эффективность
  • Меньше шума

Недостатки

К недостаткам фотодиода относятся следующие.

  • 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 фотодетекторов, таких как устройства с зарядовой связью, фотопроводники и фотоумножители.
  • Эти диоды используются в устройствах бытовой электроники, таких как детекторы дыма, проигрыватели компакт-дисков, а также телевизоры и пульты дистанционного управления в видеомагнитофонах.
  • В других потребительских устройствах, таких как радиочасы, фотометры и уличные фонари, чаще используются фотопроводники, а не фотодиоды.
  • Фотодиоды часто используются для точного измерения интенсивности света в науке и промышленности. Как правило, они имеют 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, это все о 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 ?

Кредиты на фото:

Что такое фотодиод? Рабочие характеристики конструкции Применение

Что такое фотодиод?

Фотодиод представляет собой полупроводниковый диод с pn переходом, который работает с интенсивностью падающего на него света в условиях обратного смещения.

Принцип работы фотодиода

Когда диод находится в состоянии обратного смещения, через него будет протекать обратный ток насыщения от положительного вывода диода к отрицательному. Неизбежные неосновные носители заряда вызывают этот обратный ток насыщения в полупроводниковом кристалле. Величина этого обратного тока насыщения не зависит от приложенного обратного напряжения на диоде, а зависит от концентрации неосновных носителей заряда в полупроводниковом кристалле.Следовательно, для определенного диапазона обратного напряжения на диоде этот ток остается почти постоянным. Мы можем контролировать обратный ток насыщения в диоде, контролируя концентрацию неосновных носителей заряда в полупроводниковом кристалле. Мы можем изменить концентрацию неосновных носителей заряда в полупроводнике, подавая на кристалл внешнюю энергию.

В фотодиоде мы делаем то же самое для контроля проводимости устройства. Как следует из названия, в фотодиоде pn-переход подвергается воздействию света.В зависимости от интенсивности света ковалентные связи в кристалле разрываются и образуют свободные электронно-дырочные пары поперек и рядом с pn-переходом. В результате увеличивается обратный ток в диоде или, другими словами, увеличивается проводимость устройства.

NB: — Здесь следует отметить, что в фотодиоде только часть pn-перехода диода должна быть освещена светом, потому что, если свет падает от перехода, электронно-дырочные пары создаются вдали от переходы получают достаточно времени для рекомбинации, следовательно, они не могут вносить обратный ток.Но пары электрон-дырка, созданные в переходе или очень близко к переходу, могут легко распространяться в сторону противоположной полярности из-за влияния электрического поля через переход, и, следовательно, ток через фотодиод увеличивается.

Конструкция фотодиода

Фотодиоды выпускаются в металлическом корпусе. Диод представляет собой p n переход, установленный на изолированной пластиковой подложке. Затем герметизируем пластиковую подложку в металлическом корпусе. В верхней части металлического корпуса есть прозрачное окошко, через которое свет проникает до PN перехода.Два вывода, анод и катод диода выходят из нижней части металлического корпуса. Язычок, идущий со стороны нижней части металлического корпуса, идентифицирует катодный вывод.

Символ фотодиода

Символ фотодиода аналогичен обычному диоду, за исключением двух направленных вниз стрелок, обозначающих свет.

Характеристика фотодиода

  1. Темновое сопротивление фотодиода

    Это правда, что в полупроводниковом кристалле всегда есть неосновные носители заряда даже в очень темных условиях — эти неосновные носители заряда в полупроводниковом кристалле присутствуют из-за неизбежных примесей и естественное тепловое возбуждение кристалла.Таким образом, даже в темноте в диоде будет крошечный и постоянный обратный ток насыщения. Этот ток фиксирован для фотодиода, и этот ток известен как темновой ток. Отношение максимально выдерживаемого обратного напряжения к темновому току фотодиода называется темновым сопротивлением этого диода.

  2. Когда мы подаем свет на диод, обратный ток увеличивается. Это отношение линейное. Величина обратного тока прямо пропорциональна интенсивности падающей световой энергии.
  3. Если мы продолжаем увеличивать силу света после определенного значения обратного тока. С увеличением интенсивности света сила тока не увеличивается. Мы называем это максимальное значение обратного тока током насыщения фотодиода .

Применения фотодиода

Фотодиоды могут применяться во многих областях. В этой короткой статье мы не собираемся обсуждать все применения фотодиода . Мы обсудим здесь только два популярных применения фотодиода .

Схема сигнализации с использованием фотодиода

Значит, мы устанавливаем источник света таким образом, чтобы свет всегда попадал на фотодиод. Пока свет попадает на функцию фотодиода, через диод будет протекать обратный ток, поскольку диод уже подключен в обратном смещенном состоянии в цепи аварийной сигнализации. Если в источнике света возникает препятствие, обратный ток в фотодиоде снижается до уровня темнового тока. Схема устроена таким образом, что когда падает обратный ток, начинает звучать сигнал тревоги.Мы можем установить это устройство в дверном проеме, чтобы препятствовать входу людей. При таком расположении луч света пересекает дверной проем с одной стороны на другую. Устанавливаем фотодиод с противоположной стороны от источника света. Когда кто-либо входит через дверь, световой луч прерывается и звучит сигнал тревоги.

Схема счетчика с использованием фотодиода

Когда количество предметов проходит через конвейерную ленту, их можно легко подсчитать с помощью фотодиода. Здесь мы прикрепляем источник света на одной стороне конвейерной ленты и фотодиод на противоположной стороне ленты.Источник света и фотодиод установлены таким образом, что свет попадает прямо на фотодиод. Когда свет падает на фотодиод , в цепи возникает ток обратного восстановления. Соединяем фотодиод со схемой счетчика. Световой луч прерывается, счетчик получает одну инкремент. Когда один предмет проходит через световой луч, он прерывает световой луч, и счетчик считает предмет.

Как работает фотодиод?

Введение

Фотодиод — это специальный диод (светоприемное устройство), преобразующий оптические сигналы в электрические.Его символ показан на рисунке.

РИС. 1. Символ фотодиода

Как и обычные диоды, его основная структура также представляет собой pn переход. Его оболочка имеет окно со стеклом для проникновения света, как показано ниже.

Рис. 2. Структура фотодиода

Фотодиод работает в обратном состоянии, и его обратный ток увеличивается с увеличением силы света.

Когда нет света, обратный ток очень мал (обычно меньше 0.1 мкА), называемый темновым током. А обратное сопротивление в это время составляет десятки МОм.

Когда есть свет, образуется обратный ток, называемый фототоком. В это время обратное сопротивление фотодиода падает до нескольких кОм.

Посмотрите это, чтобы узнать больше:

Каталог

I Параметры фотодиода

1. Темное течение

В режиме фотопроводимости, когда нет света, ток через фотодиод является темновым током.Темновой ток в фотодиоде включает ток излучения и ток насыщения полупроводникового перехода. Его нужно измерить заранее. Погрешность, вызванная темновым током, особенно при точном измерении оптической мощности, должна быть тщательно рассмотрена и исправлена.

2. Время отклика фотодиода

Скорость отклика — это отношение фототока в режиме фотопроводимости к аварийному свету в А / Вт. Характеристика отклика также может быть выражена как квантовая эффективность фотодиода, которая представляет собой отношение количества носителей, генерируемых светом, к количеству фотонов аварийного света.

3. Уровень шума (NEP)

Эквивалентная мощность шума означает минимальную оптическую мощность, необходимую для создания фототока, которая равна среднеквадратичной мощности шума при 1 Гц. Это примерно равно минимальной обнаруживаемой входной мощности фотодиода.

Связанное свойство — это обнаруживающая способность (D), которая является обратной величиной эквивалентной мощности шума.

4. Частотная характеристика

Это в основном определяется тремя факторами:

(1) Время диффузии фотогенерированных носителей вблизи обедненного слоя;

(2) Время дрейфа фотогенерированных носителей в обедненном слое;

(3) Постоянная времени цепи, определяемая сопротивлением нагрузки и параллельным конденсатором.

II Характеристики фотодиода

1. Вольт-амперные характеристики

Это отношение между фототоком на фотодиоде и напряжением, приложенным к нему.

Рисунок 3. Вольт-амперные характеристики фотодиода

2. Характеристики освещения

Это относится к соотношению между световым потоком и фототоком, когда напряжение фотодиода между катодом и анодом является постоянным.Наклон кривой световой характеристики называется чувствительностью фотодиода.

3. Спектральные характеристики

Связь между фототоком и длиной волны падающего света называется спектральной характеристикой.

Энергия фотона связана с длиной волны света: чем больше длина волны, тем меньше энергия фотона; чем короче длина волны, тем больше энергия фотона.

III Типы фотодиодов

1.ПН Фотодиод

Характеристики: небольшой темновой ток и низкая скорость отклика

Область применения: осветительный прибор, цветной фотодиодный датчик, фототранзистор, линейный фотодиодный датчик изображения, спектрофотометр, экспонометр камеры.

2. PIN Фотодиод

Особенности: Это своего рода большой фотодиод темнового тока с низкой емкостью перехода и быстрым откликом

Область применения: высокоскоростной световой фотодиодный детектор, оптическая связь, оптоволокно, дистанционное управление, фотоэлектрический транзистор, факс.

3. Клавиша запуска Фотодиод

Особенности: Используйте пленку Au и полупроводниковый переход N-типа вместо полупроводника P-типа

Область применения: обнаружение коротковолнового света как ультрафиолетовых лучей

4. Лавина Фотодиод

Особенности: Это своего рода фотодиодный детектор слабого света с высокой скоростью отклика

Использование: высокоскоростная оптическая связь, высокоскоростное оптическое обнаружение

IV Как работает фотодиод?

Фотодиод работает по следующему принципу:

Когда есть свет, фотон с энергией входит в PN-переход и передает энергию электронам по ковалентной связи.Некоторые электроны отрываются от ковалентной связи, и образуются электронно-дырочные пары, также называемые фотогенерированными носителями .

Количество фото-генерируемых носителей ограничено, а количество фото-генерируемых носителей до появления света намного больше, чем у фото-генерируемых носителей. Следовательно, фотогенерируемый носитель мало влияет на количество носителей, но количество неосновных носителей имеет большое влияние. Вот почему фотодиод работает при обратном напряжении вместо прямого.

Итак, при обратном напряжении неосновные носители, увеличенные фотогенерированными носителями, участвуют в дрейфующем движении. В P-области фотогенерированные электроны диффундируют к PN-переходу. Если толщина P-области меньше, чем длина диффузии электронов, то большинство фотогенерированных электронов пройдет через P-область к PN-переходу. То же самое и в регионе N.

Рисунок 4. Принцип работы фотодиода

Следовательно, при производстве фотодиодов PN-переход очень мелкий, что способствует дрейфу неосновных носителей заряда.

Вообще говоря, работа фотодиода — это процесс поглощения , который преобразует изменение света в изменение обратного тока. Комбинация тока и темнового тока является фототоком, поэтому темновой ток максимально минимизирован для улучшения чувствительности фотодиода к свету.

Интенсивность света пропорциональна фототоку. Чем больше сила света, тем больше обратный ток. Эта характеристика называется фотопроводимостью, а вызываемый ею ток — фототоком.

В Функция фотодиода

Фотодиоды широко используются для:

1. Управление освещением

Фотодиод можно использовать как фотопереключатель, его схема показана на рисунке ниже. Когда нет света, фотодиод VD1 отключается из-за обратного напряжения. Транзисторы VT1 и VT2 также отключены из-за отсутствия тока базы. Реле находится в отключенном состоянии.

Когда свет излучается на VD1, он переходит от точки отсечки к проводимости.Итак, VT1 и VT2 включаются последовательно, и реле K втягивается, чтобы подключить цепь управления.

Рисунок 5. Фотодиод для управления освещением

2. Прием световых сигналов

Фотодиоды могут использоваться для приема световых сигналов. На рисунке ниже показана схема фотодиода для приема и усиления светового сигнала. Световой сигнал принимается фотодиодом VD, усиливается трансформатором напряжения и выводится через конденсатор связи C.

Рисунок 6.Фотодиод для приема светового сигнала

VI Применение фотодиодов

Специальное применение фотодиода:

1. Фотоэлемент

Фотоэлемент представляет собой PN переход большой площади. Когда свет излучается на одной поверхности PN-перехода, такой как поверхность P-области, если энергия фотона больше, чем ширина запрещенной зоны полупроводникового материала, каждый фотон в P-области будет создавать свободную электронно-дырочную пару.

Рисунок 7. Фотоэлемент

Электронно-дырочные пары быстро диффундируют внутрь, и под действием электрического поля перехода образуется электродвижущая сила, связанная с интенсивностью света.

В настоящее время, если мы используем его в качестве источника питания и подключим к внешней цепи, он будет непрерывно подавать питание, пока есть свет, которым является фотоэлемент. Другими словами, фотоэлемент — это фотоэлектрическое устройство с PN-переходом без напряжения смещения .Он и может напрямую преобразовывать световую энергию в электрическую.

По назначению фотоэлемент его можно разделить на фотоэлементы солнечные и фотоэлементы измерительные.

Разница между фотодиодами и фотоэлементами

Фотоэлемент: используется для преобразования энергии. Преимущество: увеличить конверсию.

Фотодиод: используется для обнаружения. Преимущества: высокая чувствительность, быстрый отклик и высокая квантовая эффективность.

Они разные в:

Метод смещения

Плотность легирования (см)

Удельное сопротивление (Ом / см)

Светлая зона

Фотоэлемент

Смещение нуля фотоэлемента

10 16 10 19

0.1-0.01

Большой

Фотодиод

Обратное смещение фотодиода

10 12 -10 13

1000

Малый

2. Солнечная батарея

Солнечный элемент — это полупроводниковый прибор, как показано на рисунке ниже. Когда солнечный свет излучается на полупроводник, часть его отражается, а остальная часть поглощается или проникает через полупроводник.

Часть поглощенного света превращается в тепло, в то время как другие фотоны сталкиваются с валентными электронами, составляющими полупроводник, образуя электронно-дырочные пары. Таким образом световая энергия преобразуется в электрическую.

Следовательно, после солнечного света на обоих концах солнечного элемента будет генерироваться постоянное напряжение, тем самым напрямую преобразуя солнечной энергии в постоянный ток . Если мы свариваем металл, ведущий к слою P и слою N, и подключаем нагрузку, ток будет течь через внешнюю цепь.

Таким образом, если мы соединим фотоэлементы последовательно и параллельно, можно будет генерировать определенное напряжение и ток, таким образом вырабатывая мощность.

Рис. 8. Солнечный элемент

3. Фотогальваническая система освещения для производства электроэнергии

Фотогальваническая система производства электроэнергии — это система выработки электроэнергии, в которой солнечные элементы используются для преобразования солнечной энергии в электрическую. Он использует фотоэлектрический эффект.

Основные компоненты: солнечные элементы, аккумуляторные батареи, контроллеры и инверторы.Он имеет высокую надежность, длительный срок службы, отсутствие загрязнения окружающей среды, независимую выработку электроэнергии и работу фотодиодов, подключенных к сети.

Поскольку на фотоэлектрический режим фотодиода сильно влияют внешние факторы окружающей среды, такие как свет и температура, рабочая точка быстро меняется.

Существуют независимые системы производства электроэнергии и системы производства электроэнергии, подключенные к сетям.

(1) Независимая фотоэлектрическая система выработки электроэнергии

Независимая фотоэлектрическая система производства электроэнергии — это метод выработки электроэнергии, не подключенный к электросети.Ему нужны батарейки для хранения энергии на ночь. Автономное производство солнечной фотоэлектрической энергии в основном используется в отдаленных деревнях и домах

Рис. 9. Структурная схема фотоэлектрической системы выработки электроэнергии

(2) Фотоэлектрическая система производства электроэнергии, подключенная к сети

Подключенная к сети фотоэлектрическая система производства электроэнергии подключена к национальной сети для обеспечения энергосистемы. Батарейки не нужны. Жилые фотоэлектрические системы производства электроэнергии в основном используются в домашних хозяйствах.Они также используются для общественных помещений, систем освещения в ночном озеленении и солнечных электростанций.

VII Метод обнаружения

1. Метод измерения сопротивления

Используйте «1k» мультиметра для проверки фотодиода. Прямое сопротивление фотодиода составляет около 10 кОм.

Когда нет света, если измеренное обратное сопротивление составляет , диод исправен или имеется большой ток утечки.

Когда есть свет, обратное сопротивление уменьшается с увеличением силы света. Если сопротивление может достигать нескольких кОм или ниже 1 кОм, диод исправен; если обратное сопротивление равно ∞ или нулю, диод сломан.

2. Метод измерения напряжения

Используйте шестерню «1V» мультиметра. Подключите красный измерительный провод к положительному полюсу фотодиода, а черный измерительный провод к отрицательному полюсу. Под светом напряжение пропорционально интенсивности света, обычно до 0.2В-0,4В.

3. Метод измерения тока короткого замыкания

Используйте шестерню мультиметра «50 мкА». Подключите красный измерительный провод к положительному полюсу фотодиода, а черный измерительный провод — к отрицательному полюсу. Под лампами накаливания (не люминесцентными), если ток короткого замыкания увеличивается с увеличением света, диод исправен. Ток короткого замыкания может достигать десятков и сотен мкА.

Иногда необходимо различать инфракрасные светодиоды и инфракрасные фотодиоды.

Если они оба заполнены прозрачной смолой, мы можем увидеть их установку штампа. Под кристаллом инфракрасного светодиода есть неглубокая пластина, но нет кристалла фотодиода.

Рисунок 10. Инфракрасный фотодиод

, если это небольшой фотодиод или он залит черной смолой, вы можете использовать мультиметр (установленный на 1 кОм) для измерения сопротивления.

Во-первых, убедитесь, что на диод не попадает свет. Если измеренное прямое сопротивление составляет 20-40 кОм, а обратное сопротивление больше 200 кОм, прямое сопротивление составляет около 10 кОм, а обратное сопротивление близко к ∞, это фотодиод.

В заключение , эта статья дает обзор фотодиода , который включает его параметры, особенности, принцип работы, функции и применение. И последняя глава представляет три метода тестирования, которые помогут вам идентифицировать фотодиод.

Рекомендуемые статьи:

Выпрямительный диод: функция и схема

Что такое лазерные диоды?

Что такое лавинные диоды?

Теория работы фотодиода | Оптоэлектронные компоненты | Светодиоды, Лазерные Диоды и Детекторы

Кремниевый фотодиод — это твердотельное устройство, преобразующее падающий свет в электрический ток.Он состоит из неглубокого диффузного p-n-перехода, обычно имеющего конфигурацию p-on-n, хотя доступны устройства «P-типа» (n-on-p) для повышения чувствительности в области 1 мкм. Современные кремниевые фотодиоды обычно изготавливаются методами планарной диффузии или ионной имплантации.

В плоской диффузионной конфигурации p-on-n, показанной на рисунке, край перехода выходит на верхнюю поверхность кремниевого кристалла, где он пассивирован термически выращенным оксидным слоем.

ОСНОВНАЯ ФИЗИКА ФОТОДИОДОВ

p-n-переход и обедненная область имеют большое значение для работы фотодиода. Эти фотодиодные области создаются, когда легирующая примесь p-типа с акцептором

примесей (избыточных дырок), контактирует с кремнием n-типа, легированным донорными примесями (избыточными электронами). Дырки и электроны, каждая из которых испытывает более низкий потенциал на противоположной стороне перехода, начинают течь через переход в свои соответствующие области с более низким потенциалом.Это движение заряда создает область истощения, которая имеет электрическое поле, противоположное низкопотенциальному полю и равное ему, и, следовательно, больше не течет ток.

Когда фотоны с энергией более 1,1 эВ (запрещенная зона кремния) падают на устройство, они поглощаются и образуются электронно-дырочные пары. Глубина поглощения фотонов зависит от их энергии; чем ниже энергия фотонов, тем глубже они поглощаются. Пары электрон-дырка расходятся, и когда неосновные носители достигают перехода, их уносит электрическое поле.Если две стороны электрически соединены, через соединение протекает внешний ток. Если созданные неосновные носители этой области рекомбинируют с объемными носителями этой области до достижения поля перехода, носители теряются и внешний ток не протекает.

Эквивалентная схема фотодиода показана на рисунке ниже. При освещении фотодиод ведет себя как источник тока. При работе без смещения этот ток распределяется между внутренним шунтирующим сопротивлением и внешним нагрузочным резистором.В этом режиме возникает напряжение, которое создает прямое смещение, что снижает его способность оставаться источником постоянного тока. При работе со смещением обратного напряжения фотодиод становится идеальным источником тока.

Серия
I D = Темновой ток, А
I S = Ток светового сигнала (I S = RP O)
р = Чувствительность фотодиода на длине волны излучения, А / Вт
П О = Мощность света, падающая на активную область фотодиода, Вт
R SH = Сопротивление шунта, Ом
I * N = Шумовой ток, А (действующее значение)
С = Емкость перехода, Фарады
R S = Сопротивление, Ом
справа слева = Сопротивление нагрузки, Ом

Кремниевые фотодиоды обычно чувствительны к свету в спектральном диапазоне от примерно 200 нм (ближний УФ) до примерно 1100 нм (ближний ИК).Чувствительность фотодатчика (R) измеряется в Амперах (A) фототока, генерируемого на ватт (Вт) мощности падающего света. Фактические уровни освещенности в большинстве приложений обычно варьируются от пиковатт до милливатт, что создает фототоки от пикоампера до миллиампер. Чувствительность в амперах / ватт варьируется в зависимости от длины волны падающего света с пиковыми значениями от 0,4 до 0,7 А / Вт. Отклик кремниевого фотодиода хорошо согласован с источниками света, излучающими от УФ до ближнего инфракрасного спектра, такими как гелий-неоновые лазеры; Светодиоды и лазерные диоды на основе GaAlAs и GaAs; и Nd: YAG-лазеры.Выберите детектор из серии IR, Blue / Visible или UV, чтобы получить кривую спектрального отклика, наилучшим образом соответствующую спектральной освещенности вашего источника света.

Отклик кремниевого фотодиода обычно линейен в пределах нескольких десятых процента от минимально обнаруживаемой мощности падающего света до нескольких милливатт. Линейность отклика улучшается с увеличением приложенного обратного смещения и уменьшением эффективного сопротивления нагрузки.

При нагревании кремниевого фотодиода его спектральная кривая (включая пик) смещается в сторону более длинных волн.И наоборот, охлаждение сдвигает отклик в сторону более коротких волн. Для температурной зависимости чувствительности для разных диапазонов длин волн характерны следующие значения: —

УФ до 500 нм: от -0,1% / ° C до -2% / ° C

от 500 до 700 нм: ~ 0% / ° C

~ 900 нм: 0,1% / ° C

1064 нм: от 0,75% / ° C до 0,9% / ° C

РЕЖИМЫ РАБОТЫ

Кремниевый фотодиод может работать как в фотоэлектрическом режиме , так и в фотоэлектрическом режиме .В фотоэлектрическом режиме фотодиод несмещен; в то время как для режима фотопроводимости применяется внешнее обратное смещение. Выбор режима зависит от требований к скорости работы приложения и допустимого темнового тока. В фотоэлектрическом режиме темновой ток минимален. Фотодиоды демонстрируют самую быструю скорость переключения при работе в фотопроводящем режиме.

Фотодиоды и операционные усилители могут быть соединены таким образом, чтобы фотодиод работал в режиме тока короткого замыкания.Операционный усилитель работает как простой преобразователь тока в напряжение.

Фотодиод, характеристики и применение принцип работы

Характеристики и применение принципа работы

Фотодиод:

Фотодиод — это один из видов легкого детектора, который обычно преобразует солнечный свет в ток или напряжение, поддерживаемое режимом работы устройства.Он включает в себя оптические фильтры, внутренние линзы и дополнительно площади поверхности. Фотодиод на переходе — это связанное внутреннее устройство, которое ведет себя так же, как и стандартный сигнальный диод, однако он генерирует фототок, когда легкий вес поглощается в обедненной области полупроводника перехода. Фотодиод может быть быстрым, чрезвычайно линейным устройством, которое демонстрирует высокую квантовую мощность, поддерживающую его применение, и будет использоваться в целом ряде различных приложений.

, они предназначены для работы в режиме обратного смещения, что означает, что сторона p диода подключена к отрицательной клемме батареи, а затем — к положительной.Он производит фототок, генерируя электронно-дырочные пары из-за поглощения солнечного света в собственной или обедненной области. Создаваемый таким образом фототок пропорционален поглощенной мощности свечи. Электроны и дырки могут оставаться свободными, или альтернативные электроны могут смешиваться с дырками, чтобы снова создать полные атомы в пространственной решетке. Тем не менее, возможно, чтобы электроны, связанные с дырками, оставались свободными и действовали вдали от области обеднения под действием внешнего поля.во время этого метода, настоящее через диод может модифицироваться, и создается фототок.

Принцип работы фотодиода: Площадь фотодиодов

такая же, как у обычных полупроводниковых диодов, однако они будут либо видимыми, чтобы облегчить доступ к хрупкой части устройства. многие диоды, которые предполагается использовать именно в качестве фотодиода, также будут использовать контактный переход в некоторой степени, чем стандартный переход P-N.Легковесная энергия будет рассматриваться в терминах фотонов или пакетов солнечного света. как только калибровочный бозон с достаточной энергией входит в область истощения полупроводника, он должен ударить Партнера по Носящемуся атому с достаточной энергией, чтобы высвободить лептон из атомной структуры.

Фотодиод может быть p – n-переходом или булавочной структурой. Как только калибровочный бозон с достаточной энергией ударяется о диод, он создает электронно-дырочную попытку. Этот механизм дополнительно называют внутренним физическим явлением воздействия.Если поглощение происходит в пределах обедненной области перехода или на расстоянии одной диффузионной длины от нее, эти носители имеют квадратную меру, уносящуюся от перехода за счет встроенного силового поля обедненной области. Добавление фототоков и темновых токов, которые протекают с легким или не легким весом, составляет общий ток, проходящий через фотодиод. Чувствительность устройства повысится за счет минимизации темнового тока.

Типы фотодиодов:

  • Фотодиод П-Н.
  • Значок Шоттки Диод.
  • -контактный фотодиод.
  • Лавинный фотодиод.

Совершенно разные типы фотодиодов имеют несколько разные режимы работы, однако все думают об одной и той же основе работы. хотя на рынке доступны различные типы фотодиодов, и все они работают на идентичных основных принципах, хотя некоторые из них улучшаются за счет альтернативных эффектов. Использование совершенно разных фотодиодов разных типов добавляет довольно разный метод, однако основная работа этих диодов остается идентичной.

Режимы работы фотодиода включают 3 режима,

  • , в частности, режим электрических явлений.
  • режим электропроводности.
  • лавинный диодный режим.

Режим фотопроводимости Диод, используемый в этом режиме, обычно имеет обратное смещение, т. Е. Катод становится положительным по отношению к аноду.приложение обратного напряжения увеличит ширину обедненного слоя, что последовательно уменьшает время ожидания и емкость перехода. Этот режим невероятно быстрый и имеет электронный шум. Полупроводниковый фотодиод может работать либо в режиме электрического явления, либо в режиме электропроводности.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *