Световая характеристика фотодиода: 1.4.2 Фотодиоды конструкции p-i-n — Электронный учебно-методический комплекс по ТМ и О ЦВОСП

Содержание

Фотодиоды. Виды и устройство. Работа и характеристики

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

Устройство и принцип действия

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

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

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

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

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

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

Режимы работы
Фотодиоды способны функционировать в следующих режимах:
  • Режим фотогенератора. Без подключения источника электричества.
  • Режим фотопреобразователя. С подключением внешнего источника питания.

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

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

2.

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

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

Виды фотодиодов

Существует несколько различных видов фотодиодов, которые имеют свои достоинства.

pin фотодиод

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

Этот вспомогательный слой значительно снижает емкость запирающего слоя, и не зависит от напряжения. Это расширяет полосу рабочих частот диодов. В результате скорость резко повышается, и частота достигает 1010 герц. Повышенное сопротивление этого слоя значительно уменьшает ток работы при отсутствии освещения.

Чтобы световой поток смог проникнуть через р-слой, он не должен быть толстым.

 
Лавинные фотодиоды

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

1 — омические контакты 2 — антиотражающее покрытие

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

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

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

Принцип действия

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

Характеристики

Свойства таких световых диодов можно описать некоторыми зависимостями.

Вольт-амперная

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

I — ток M — коэффициент умножения U — напряжение

Световая

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

Спектральная

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

Постоянная времени

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

Темновое сопротивление

Это значение сопротивления диода в темноте.

Инерционность
Факторы, влияющие на эту характеристику:
  • Время диффузии неравновесных носителей заряда.
  • Время прохождения по р-n переходу.
  • Период перезарядки емкости барьера р-n перехода.
Сфера применения

Фотодиоды являются основными элементами многих оптоэлектронных приборов.

Интегральные микросхемы (оптоэлектронные)

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

Фотоприемники с несколькими элементами

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

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

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

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

Наиболее влияющими оказались такие факторы:
  • Суммарный ток утечек, образующийся путем сложения шумов и тока при отсутствии света.
  • Квантовая эффективность, определяющая долю падающих квантов, приводящих к возникновению тока и носителей заряда.
Похожие темы:

Фоторезисторы, фотодиоды и фототранзисторы и как их применять

Фоторезисторы, фотодиоды и фототранзисторы и как их применять

Датчик — средство измерений, предназначенное для выработки сигнала измерительной информации в форме, удобной для передачи, дальнейшего преобразования, обработки и (или) хранения, но не поддающейся непосредственному восприятию наблюдателем.

Датчики бывают совершенно разными. Они отличаются по принципу действию, логике своей работы и физическим явлениям и величинам на которые они способны реагировать. Датчики света используются не только в аппаратуре автоматического управления освещением, они используются в огромном количестве устройств, начиная от блоков питания, заканчивая сигнализациями и охранными системами.

Основные виды фотоэлектронных приборов. Общие сведения

Фотоприёмник в общем смысле – это электронный прибор, который реагирует на изменение светового потока падающего на его чувствительную часть. Они могут отличаться, как по своей структуре, так и принципу работы. Давайте их рассмотрим.

Фоторезисторы – изменяют сопротивление при освещении

Фоторезистор – фотоприбор изменяющий проводимость (сопротивление) в зависимости от количества света падающего на его поверхность. Чем интенсивнее освещенность чувствительной области, тем меньше сопротивления. Вот его схематическое изображение.

Состоит он из двух металлических электродов, между которыми присутствует полупроводниковый материал. Когда световой поток попадает на полупроводник, в нём высвобождаются носители заряда, это способствует прохождению тока между металлическими электродами.

Энергия светового потока тратится на преодоление электронами запрещенной зоны и их переходу в зону проводимости. В качестве полупроводника у фоторезисторов используют материалы типа: Сульфид Кадмия, Сульфид Свинца, Селенит Кадмия и другие. От типа этого материала зависит спектральная характеристика фоторезистора

Интересно:

Спектральная характеристика содержит информацию о том, к каким длинам волн (цвету) светового потока наиболее чувствителен фоторезистор. Для некоторых экземпляров приходится тщательно подбирать излучатель света соответствующей длины волны, для достижения наибольшей чувствительности и эффективности работы.

Фоторезистор не предназначен для точного измерения освещенности, а, скорее, для определения наличия света, по его показаниям можно определить светлее или темнее стала окружающая среда. Вольт-амперная характеристика фоторезистора выглядит следующим образом.

На ней изображена зависимость тока от напряжения при различных величинах светового потока: Ф – темнота, а Ф3 – это яркий свет. Она линейна. Еще одна важная характеристика – это чувствительность, она измеряется в мА(мкА)/(Лм*В). (-5) с. Это не позволяет использовать его там, где нужно высокое быстродействие.

Фотодиод – преобразует свет в электрический заряд

Фотодиод – элемент, который преобразует свет, попадающий на чувствительную зону, в электрический заряд. Это происходит потому что при облучении в p-n переходе протекают различные процессы связанные с движением носителей заряда.

Если на фоторезисторе изменялась проводимость из-за движения носителей заряда в полупроводнике, то здесь происходит образование заряда на границе p-n перехода. Он может работать в режиме фотопреобразователя и фотогенератора.

По структуре он такой же, как и обычный диод, но на его корпусе есть окно для прохождения света. Внешне они бывают в различных исполнениях.

Фотодиоды с черным корпусом воспринимают только ИК-излучение. Черное покрытие – это что-то похожее на тонировку. Фильтрует ИК-спектр, чтобы исключить возможность срабатывания на излучения других спектров.

У фотодиодов, как и у фоторезисторов есть граничная частота, только здесь она на порядки больше и достигает 10 МГц, что позволяет обеспечить неплохое быстродействие. P-i-N фотодиоды обладают большим быстродействием – 100МГц-1ГГц, как и диоды на основании барьера Шоттки. Лавинные диоды имеют граничную частоту в порядка 1-10 ГГц.

В режиме фотопреобразователя такой диод работает как ключ управляемый светом, для этого его подключают в цепь в прямом смещении. То есть, катодом к точке с более положительным потенциалом (к плюсу), а анодом к более отрицательному (к минусу).

Когда диод не освещается светом – в цепи протекает только обратный темновой ток Iобрт (единицы и десятки мкА), а когда диод освещен к нему добавляется фототок, который зависит только от степени освещенности (десятки мА). Чем больше света – тем больше ток.

Фототок Iф равен:

Iф=Sинт*Ф,

где Sинт – интегральная чувствительность, Ф – световой поток.

Типовая схема включения фотодиода в режиме фотопреобразователя. Обратите внимание на то, как он подключен – в обратном направлении по отношению к источнику питания.

Другой режим – генератор. При попадании света на фотодиод на его выводах образуется напряжение, при этом токи короткого замыкания в таком режиме равняются десятки ампер. Это напоминает работу элементов солнечной батареи, но имеют малую мощность.

Фототранзисторы – открываются от количества падающего света

Фототранзистор – это по своей сути биполярный транзистор у которого вместо вывода базы есть в корпусе окошко для попадания туда света. Принцип работы и причины этого эффекта аналогичны с предыдущими приборами. Биполярные транзисторы управляются количеством тока протекающего через базу, а фототранзисторы по аналогии управляются количеством света.

Иногда на УГО еще дополнительно изображается вывод базы. Вообще напряжения на фототранзистор подают также как и на обычный, а второй вариант включения – с плавающей базой, когда базовый вывод остаётся незадействованным.

В схему включают фототранзисторы подобным образом.

Или меняют местами транзистор и резистор, смотря, что конкретно вам нужно. При отсутствии света через транзистор протекает темновой ток, который образуется из тока базы, который вы можете задать сами.

Задав необходимый ток базы, вы можете выставить чувствительность фототранзистора подбором его базового резистора. Таким образом, можно улавливать даже самый тусклый свет.

В советское время радиолюбители делали фототранзисторы своими руками – делали окошко для света, спилив обычному транзистору часть корпуса. Для этого отлично подходят транзисторы типа МП14-МП42.

Из вольтамперной характеристики видна зависимость фототока от освещения, при этом он практически не зависит от напряжения коллектор-эмиттер.

Кроме биполярных фототранзисторов существуют и полевые. Биполярные работают на частотах 10-100 кГц, то полевые более чувствительны. Их чувствительность достигает нескольких Ампер на Люмен, и более «быстрые» — до 100 мГц. У полевых транзисторов есть интересная особенность, при максимальных значениях светового потока напряжение на затворе почти не влияет на ток стока.

Области применения фотоэлектронных приборов

В первую очередь следует рассмотреть более привычные варианты их применения, например автоматическое включение света.

Схема, изображенная выше – это простейший прибор для включения и выключения нагрузки при определенной освещенности. Фотодиод ФД320 При попадании на него света открывается и на R1 падает определенное напряжение, когда его величина достаточна для открытия транзистора VT1 – он открывается, и открывает еще один транзистор – VT2. Эти два транзистора – это двухкаскадный усилитель тока, необходим для запитки катушки реле K1.

Диод VD2 – нужен для гашения ЭДС-самоиндукции, которое образуется при переключениях катушки. На подводящий контакт реле, верхний по схеме, подключается один из проводов от нагрузки (для переменного тока – фаза или ноль).

У нас есть нормально замкнутый и разомкнутый контакты, они нужны либо для выбора включаемой цепи, либо для выбора включить или отключить нагрузку от сети при достижении необходимой освещенности. Потенциометр R1 нужен для подстройки прибора для срабатывания при нужном количестве света. Чем больше сопротивление – тем меньше света нужно для включения схемы.

Вариации этой схемы используют в большинстве подобных приборов, при необходимости добавляя определенный набор функций.

Кроме включения нагрузки по освещенности подобные фотоприемники используются в различных системах контроля, например на турникетах метро часто используют фоторезисторы для определения несанкционированного (зайцем) пересечения турникета.

В типографии при обрыве полосы бумаги свет попадает на фотоприемник и тем самым даёт сигнал оператору об этом. Излучатель стоит по одну сторону от бумаги, а фотоприемник с обратной стороны. Когда бумага рвётся, свет от излучателя достигает фотоприемника.

В некоторых видах сигнализации используются в качестве датчиков входа в помещение излучатель и фотоприемник, при этом, чтобы излучение не были видны используют ИК-приборы.

Касаемо ИК-спектра, нельзя упомянуть о приемнике телевизора, на который поступают сигналы от ИК-светодиода в пульте дистанционного управления, когда вы переключаете каналы. Специальным образом кодируется информация и телевизор понимает, что вам нужно.

Информация таким образом ранее передавалась через ИК-порты мобильных телефонов. Скорость передачи ограничена, как последовательным способом передачи, так и принципом работы самого прибора.

В компьютерных мышках также используется технология связанная с фотоэлектронными приборами.

Применение для передачи сигналов в электронных схемах

Оптоэлектронные приборы – это приборы которые объединяют в одном корпусе излучатель и фотоприемник, типа описанных выше. Они нужны для связи двух контуров электрической цепи.

Это нужно для гальванической развязки, быстрой передачи сигнала, а также для соединения цепей постоянного и переменного тока, как в случае управления симистором в цепи 220 В 5 В сигналом с микроконтроллера.

Они имеют условно-графическое обозначение, которое содержит информацию о типе используемых внутри оптопары элементов.

Рассмотрим пару примеров использования таких приборов.

Управление симистором с помощью микроконтроллера

Если вы проектируете тиристорный или симисторный преобразователь вы столкнетесь с проблемой. Во-первых, если переход у управляющего вывода пробьет – на пин микроконтроллера попадет высокий потенциал и последний выйдет из строя. Для этого разработаны специальные драйверы, с элементом, который называется оптосимистор, например MOC3041.

Обратная связь с помощью оптопары

В импульсных стабилизированных блоках питания необходима обратная связь. Если исключить гальваническую развязку в этой цепи, тогда в случае выхода из строя каких-то компонентов в цепи ОС, на выходной цепи возникнет высокий потенциал и подключенная аппаратура выйдет из строя, я не говорю о том, что и вас может ударить током.

В конкретном примере вы видите реализацию такой ОС из выходной цепи в обмотку обратной связи (управляющую) транзистора с помощью оптопары с порядковым обозначением U1.

Выводы

Фото- и оптоэлектроника это очень важные разделы в электроники, которые значительно улучшили качество аппаратуры, её стоимость и надёжность. С помощью оптопары можно исключить использование развязывающего трансформатора в таких цепях, что уменьшает массогабаритные показатели. Кроме того некоторые устройства просто невозможно реализовать без таких элементов.

Ранее ЕлектроВести писали о фотодатчиках и их применении. 

По материалам electrik.info. 

Фотодиоды | Основы электроакустики

Фотодиоды представляют собой полупроводниковые диоды, в которых используется зависимость обратного тока от светового потока. 

 Такой режим работы называется фотодиодным (рис.6.9).

Вольт-амперные характеристики для фотодиодного режима приведены на рис. 6.10. 

Рис.6.9. Схема включения фотодиода для работы в фотодиодном режиме 

Рис.6.10. Вольт-амперные характеристики фотодиода для фотодиодного режима 

Если светового потока нет, то через фотодиод протекает начальный ток I0, который называют темновым. Под действием светового потока ток в диоде возрастает и характеристика располагается выше. Чем больше световой поток, тем больше ток. Повышение обратного напряжения на диоде незначительно увеличивает ток. При некотором напряжении возникает электрический пробой (штриховые участки характеристик). Энергетические характеристики фотодиода линейны и мало зависят от напряжения (рис.6.11).

Интегральная чувствительность фотодиода обычно составляет десятки миллиампер на люмен. Инерционность фотодиодов невелика, они могут работать на частотах до сотен мегагерц.

Рис.6.11. Энергетические характеристики фотодиода 

Фотодиоды, работающие в режиме фотогенератора (фотогальванический режим), служат для преобразования энергии излучения в электрическую энергию. По существу, они представляют собой фотодиоды, работающие без источника внешнего напряжения и создающие собственную ЭДС под действие излучения. Схема включения диода в фотогенераторном режиме и зависимость фото-ЭДС от светового потока приведены на рис.6.12, 6.13.

Рис.6.12. Схема включения диода в фотогенераторном режиме 

Рис.6.13. Зависимость фото-ЭДС от светового потока

 

При облучении фотодиода на его выводах возникает разность потенциалов, которую называют фото-ЭДС. С увеличением светового потока фото-ЭДС растет по нелинейному закону, ее значение может достигать нескольких десятых долей вольта.

В настоящее время важное значение имеют кремниевые фотоэлементы, используемые в качестве солнечных преобразователей. Они преобразуют энергию солнечных лучей в электрическую, и ЭДС их достигает 0.5 В. Из таких элементов путем последовательного и параллельного соединения создаются солнечные батареи, которые обладают сравнительно высоким КПД (до 20%) и могут развивать мощность до нескольких киловатт. Пока энергия, вырабатываемая солнечными элементами, примерно в 50 раз дороже энергии, получаемой из угля, нефти или урана. Ожидается, что эта величина будет снижаться.

Солнечные батареи из кремниевых фотодиодов – это основные источники питания на искусственных спутниках Земли, космических кораблях, автоматических метеостанциях и др. В южных странах солнечные батареи повсеместно используются для генерации электроэнергии для бытовых нужд. Практическое применение солнечных батарей непрерывно расширяется.

Спектральная характеристика — фотодиод — Большая Энциклопедия Нефти и Газа, статья, страница 4

Спектральная характеристика — фотодиод

Cтраница 4


Используемый для освещения фотодиода свет может быть как монохроматическим, так и сложного спектрального состава. Чувствительность фотодиода к монохроматическому свету различна для разных длин волн. Зависимость чувствительности диода от длины волны называют спектральной характеристикой фотодиода.  [47]

Во-вторых, в фотодиоде Шоттки с ростом энергии квантов область поглощения излучения сдвигается в слой объемного заряда, где существует поле, разделяющее фотоносители. В фотодиоде с р-п переходом при малой глубине поглощения фототек практически равен нулю. Следовательно, коротковолновая граница спектральной характеристики фотодиода Шоттки расположена при более коротких волнах. Вообще спектральная характеристика фотодиода на основе контакта металл — полупроводник значительно шире, чем спектральная характеристика фотодиода с р-п переходом из того же полупроводника.  [48]

Длинноволновая граница фоточувствительности определяется значением Eg, а спад в коротковолновой области спектра объясняется тем, что коэффициент поглощения растет и большая часть излучения поглощается в приповерхностном слое базы, где тЭф мало и меньшая часть генерированных светом носителей доходит до р — n — перехода. Следовательно, положение коротковолновой границы фоточувствительности зависит от ширины базы и скорости поверхностной рекомбинации. Вид спектральной характеристики реального фотодиода определяется в основном зависимостью коэффициента собирания х от длины волны. Значение к определяется структурой фотодиода, диффузионной длиной неосновных носителей, коэффициентом поглощения света, шириной запрещенной зоны полупроводника. Для повышения чувствительности в длинноволновой области сйектра необходимо увеличивать диффузионную длину неосновных носителей в исходном материале.  [50]

Принцип действия фотодиода на основе выпрямляющего перехода металл — полупроводник аналогичен принципу действия фотодиода с р-п-переходом. Однако есть некоторые различия, которые сказываются на характеристиках и параметрах. При этом если энергия кванта света превышает высоту потенциального барьера, то возбужденные электроны из металла могут перейти в полупроводник через потенциальный барьер ( рис. 9.22), обеспечив тем самым возникновение фототока. Поэтому длинноволновая граница спектральной характеристики фотодиодов на основе контакта металл — полупроводник определяется высотой потенциального барьера на этом контакте и расположена при более длинных волнах электромагнитного спектра.  [52]

Принцип действия фотодиода на основе выпрямляющего перехода металл — полупроводник аналогичен принципу действия фотодиода с р-п-переходом. Однако есть некоторые различия, которые сказываются на характеристиках и параметрах. При этом если энергия кванта света превышает высоту потенциального барьера, то возбужденные электроны из металла могут перейти в полупроводник через потенциальный барьер ( рис. 9.22), обеспечив-тем самым возникновение фототока. Поэтому длинноволновая граница спектральной характеристики фотодиодов на основе контакта металл — полупроводник определяется высотой потенциального барьера на этом контакте и расположена при более длинных волнах электромагнитного спектра.  [54]

С точки зрения применения контакта металл — полупроводник в фотодиодах следует подчеркнуть такие основные особенности. Во-первых, в фотодиоде с барьером Шоттки появляется возможность поглощения квантов излучения с энергией, меньшей ширины запрещенной зоны, в металле контакта. При этом, если энергия кяанта излучения больше высоты потенциального барьера, возбужденные электроны из металла могут перейти в полупроводник через потенциальный барьер. В результате длинноволновая граница спектральной характеристики фотодиода Шоттки сдвигается в сторону более длинных волн.  [55]

Во-вторых, в фотодиоде Шоттки с ростом энергии квантов область поглощения излучения сдвигается в слой объемного заряда, где существует поле, разделяющее фотоносители. В фотодиоде с р-п переходом при малой глубине поглощения фототек практически равен нулю. Следовательно, коротковолновая граница спектральной характеристики фотодиода Шоттки расположена при более коротких волнах. Вообще спектральная характеристика фотодиода на основе контакта металл — полупроводник значительно шире, чем спектральная характеристика фотодиода с р-п переходом из того же полупроводника.  [56]

Исходным материалом служил монокристаллический GaAs с концентрацией электронов примерно 3 — Ю17 см-3. Омическим контактом служил слой серебра, напыленный на поверхность GaAs и отожженый при 400 С в атмосфере водорода. На рис. 6.11 представлены спектральные характеристики фотодиодов, отличающихся толщиной слоя серебра на светочувствительной поверхности.  [57]

Страницы:      1    2    3    4

Лабораторная работа: Изучение фотодиода

Лабораторная работа № 16

Изучение фотодиода

Цель: Ознакомиться с принципом действия, устройством, характеристиками и применением полупроводниковых фотодиодов.

Приборы и принадлежности: германиевый фотодиод ФД-7Г, стенд для измерения вольт-амперных характеристик диодов, оптическая скамья с осветителем, блок питания, осциллограф.

Теоретическое введение

Фотодиодом называется полупроводниковый диод, чувствительный к свету и предназначенный для преобразования светового потока (оптического излучения) в электрический сигнал.

Не отличаясь по принципу действия от фотопреобразователя солнечной энергии, фотодиоды имеют свои конструктивные особенности и характеристики, которые определяются их назначением.

Фотодиоды предназначены для применения в качестве приёмников и датчиков оптического излучения (обычно видимого и инфракрасного) в составе аппаратуры и различных приборов, использующих видимое и инфракрасное излучение.

В основе работы фотодиодов лежит явление внутреннего фотоэффекта, при котором под действием света в полупроводнике появляются дополнительные (неравновесные) электроны и дырки, создающие фототок или фотоэдс.

1. Принцип работы фотодиодов с p-n-переходом. В фотодиодах светочувствительным элементом является переходная область — p-n-переход, расположенная между областями с электронной и дырочной проводимостью (рис.1).

Образование p-n-перехода. Полупроводник n-типа содержит некоторое количество примесных атомов донорного типа, которые при комнатной температуре практически все ионизованы. Таким образом, в таком полупроводнике имеется nо свободных электронов и такое же количество неподвижных положительно заряженных ионов донорной примеси.

В дырочном полупроводнике (полупроводнике p-типа) реализуется подобная ситуация. В нем имеется pо свободных дырок и столько же отрицательно заряженных ионов акцепторных атомов. Принцип образования p-n-перехода показан на рис. 1.

При контакте p- и n- областей в них, вследствие наличия градиента концентраций электронов и дырок, возникает диффузионный поток электронов из полупроводника n-типа в полупроводник p-типа и, наоборот, поток дырок из p- полупроводника в n-полупроводник. Электроны, перешедшие из n-области в р-область, рекомбинируют с дырками вблизи границы раздела. Аналогично рекомбинируют дырки, перейдя из р-области в n- область. В результате вблизи p-n-перехода практически не остается свободных носителей заряда (электронов и дырок).

Тем самым по обе стороны от p-n-перехода образуется сформированный неподвижными примесными ионами двойной заряженный слой (другие названия – слой обеднения или область пространственного заряда (ОПЗ), запирающий слой), создающий сильное электрическое поле. Электрическое поле запирающего слоя направлено от n –области к p-области и противодействует процессу диффузии основных носителей заряда из областей удаленных от p-n-перехода в обедненную область. Такое состояние является равновесным и при отсутствии внешних возмущений может существовать сколь угодно долго.

 

 

 

Рис. 1 – Образование p-n- перехода Рис. 2

 

Принцип работы фотодиода.  Оптическое излучение (свет), поглощаемое в полупроводниковой структуре с p-n-переходом, создает свободные пары “электрон-дырка” при условии, что энергия фотона hν превышает ширину запрещенной зоны полупроводника Eg.

Свободные электроны и дырки возникают как в p- и n- областях перехода, так и в непосредственной близости к запирающему слою. Существующее в запирающем слое электрическое поле (поле p-n-перехода) разделяет созданные светом свободные носители заряда в зависимости от их знака в разные части фотодиода: свободные электроны перемещаются в n-область перехода, а дырки перемещаются в p- область, что приводит к заряжению этих областей (рис.2).

При освещении дырки накапливаются в р-области, заряжая её положительно. Электроны накапливаются в n-области, заряжая её отрицательно. Поэтому между ними возникает разность потенциалов.

При это возможны два режима работы прибора: в схемах с внешним источником питания и без него. Режим работы фотодиода с внешним источником питания называется фотодиодным, а без внешнего источника питания — режимом генерации фотоэдс (другое название — фотовольтаический режим).

 

Режим генерации. В этом случае на переход не подано внешнее напряжение и цепь разомкнута. Освещение приводит к накоплению фотоэлектронов в n-области и дырок в р-области. В результате образуется разность потенциалов Uф (часто называют «напряжение

 

 

Рис. 3 Рис.4 – Вольт-амперные характеристики фотодиода

при различных световых потоках (Ф1 < Ф2 < Ф3).

 

холостого хода Uхх »), то есть появляется фотоэдс. Накопление избыточных электронов и дырок происходит не беспредельно. Одновременно с возрастанием концентрации дырок в дырочной области и электронов в электронной области происходит понижение потенциального барьера перехода на величину фотоэдс и возникает диффузия основных носителей заряда через р-n-переход. Наступает динамическое равновесие.

При подключении к внешним выводам фотодиода нагрузки Rн в её цепи появится ток (рис.3). Во внешней цепи фототок направлен от р-области к n-области. В таких условиях фотодиод работает как преобразователь энергии излучения в электрическую энергию.

 

Вольт-амперная характеристика освещённого р-n-перехода. Вольт-амперную характеристику р-n-перехода при освещении можно записать в следующем виде:

 ,(1)

где Iн — ток насыщения в темноте; Iф — фототок, то есть ток, созданный возбуждёнными светом носителями заряда и проходящий через р-n-переход; U – внешнее напряжение на переходе.

На рис. 4 показаны графики вольт-амперных зависимостей при различных световых потоках Ф. При отсутствии освещения (Iф = 0) вольт-амперная (темновая) характеристика проходит через начало координат. Остальные кривые , соответствующие определённым световым потокам, смещаются по оси ординат (оси токов) на отрезки, равные силе фототока — Iф. Из выражения (1) видно, что при обратном включении (U < 0) и при

( qU >> kT ) сила тока через переход I = — (Iн + Iф).

Части кривых, расположенные в третьем квадранте, соответствуют фотодиодному режиму работы): части кривых, расположенные в четвёртом квадранте, — режиму генерации фотоэдс.

Если во внешней цепи сила тока I = 0 (цепь разомкнута), то из выражения (1) можно найти напряжение холостого хода Uф .

(2)

Если фотодиод в режиме генерации включен во внешнюю цепь с малым сопротивлением, то фотоэлектроны в n – области не накапливаются и Uф = 0. А поскольку внешнее напряжение отсутствует, то в цепи течёт ток I = — Iф, часто называемый током короткого замыкания и прямо пропорциональный световому потоку Iф ~ Ф.

 

Рис. 5 – Структурная схема фотодиода и схема

его включения при работе в фотодиодном режиме: Рис.6

1 — кристалл полупроводника; 2 — контакты;

3 — выводы; Ф — поток электромагнитного

излучения; n и р — области полупроводника;

Е — источник постоянного тока; Rн — нагрузка.

 

Фотодиодный режим. В этом режиме на р-n-переход подано обратное напряжение

(р-область подключена к минусу источника напряжения, а n-область к плюсу источника; рис. 5). Схема включает также нагрузочное сопротивление (резистор) Rн. В этом случае переход обладает огромным сопротивлением и через него течёт слабый обратный ток (ток насыщения в темноте Iн ). При освещении фотодиода ток через него резко возрастает за счёт возникновения фототока и может значительно превысить темновой ток Iн (рис. 4). Соответственно изменяется и падение напряжения на нагрузочном сопротивлении Rн. При правильном выборе иcточника напряжения и внешнего сопротивления Rн величина электрического сигнала (напряжения на резисторе) может быть большой и поэтому фотодиоды широко применяются для регистрации и измерения световых сигналов.

Ток через фотодиод в основном определяется потоками неосновных неравновесных носителей заряда (электронов в р-области и дырок в n-области), возникающих при освещении, и не зависит от напряжения, то есть носит характер тока насыщения. Поэтому в фотодиодном режиме наблюдается строгая линейная зависимость фототока от освещённости вплоть до весьма больших значений освещённости. Это является важным достоинством фотодиодов.

Для регистрации переменных оптических сигналов (световых потоков) применяется схема, показанная на рис. 6. Изменяющийся световой поток, падающий на фотодиод, вызывает в цепи переменную составляющую тока, которая повторяет изменения интенсивности света. А на резисторе Rн происходят такие же изменения напряжения, которое и поступает на вход регистрирующей системы. Чтобы отделить (не пропустить) постоянную составляющую напряжения на резисторе, в сигнальной цепи находится разделительный конденсатор С.

2. Технология изготовления и конструкция.Для изготовления р-n-переходов при производстве фотодиодов используют метод вплавления примесей и диффузию. Основное внимание при этом уделяется глубине расположения р-n-перехода относительно

 

 

Рис.7 – Конструкция гераниевого Рис.8 – Спектральные характеристики

фотодиода ФД-1. германиевых (1) и кремниевых фотодиодов (2).

 

освещаемой поверхности кристалла , поскольку она определяет инерционность (быстродействие) фотодиода. На рис.7 показана конструкция германиевого фотодиода ФД-1 в металлическом корпусе. Круглая пластинка 1, вырезанная из монокристалла германия с электропроводностью n-типа, закреплена с помощью кристаллодержателя 2 в коваровом корпусе 3. Вывод 4 от индиевого электрода, вплавленного в германий, пропущен через коваровую трубку 5, закреплённую стеклянным изолятором 6 в ножке корпуса 7. Другим электродом является сам корпус фотодиода, так как кристалл германия припаян к кристаллодержателю оловянным кольцом 8. В корпусе фотодиода имеется круглое отверстие, закрытое стеклянной линзой 9, которая собирает световой поток на ограниченную поверхность германиевой пластинки. Для защиты р-n-перехода от воздействия окружающей среды корпус фотодиода герметизирован.

Некоторые виды фотодиодов имеют пластмассовый корпус. Материал такого корпуса и окна в металлическом корпусе выбирают такими, чтобы они были прозрачными для той части спектра (излучения), к которой должен быть чувствителен данный фотодиод. Так, для германиевых приборов – это видимый свет и коротковолновое инфракрасное излучение.

Материалами, из которых изготавливают фотодиоды, служат Ge, Si, GaAs, HgCdTe и другие полупроводниковые соединения.

 

Основные характеристики и параметры фотодиодов

— Чувствительность S -параметр, который отражает изменение электрического сигнала (сила тока или напряжение) на выходе фотодиода при его освещении.

Количественно измеряется отношением изменения электрической характеристики (силы тока Iф или напряжения Uф ), снимаемой на выходе фотодиода, к потоку излучения Ф, падающему на прибор.

SI = Iф / Ф — токовая чувствительность, Sv = Uф / Ф — вольтовая чувствительность.

— Порог чувствительности Фп– величина минимального светового потока, регистрируемого фотодиодом, отнесённая к единице полосы рабочих частот.

— Постоянная времени τ,которая характеризует инерционность прибора, то есть его быстродействие.

Это время, в течение которого фототок фотодиода изменяется после освещения или после затемнения фотодиода в е раз по отношению к установившемуся значению.

Для фотодиодов с р-n-переходом она составляет 10-6 – 10-8с.

— Темновое сопротивление RТ – сопротивление фотодиода в отсутствие освещения.

— Спектральная характеристика– зависимость фототока от длины волны λ падающего на фотодиод света. Для германиевых и кремниевых фотодиодов спектральные характеристики показаны на рис.8. Длина волны, на которую приходится максимальная чувствительность, у кремниевых фотодиодов примерно равна λмакс = 800 – 900 нм, у германиевых фотодиодов находится при λмакс = 1500 – 1600 нм.

— Вольт-амперная характеристика — зависимость светового тока от напряжения при постоянном световом потоке.

— Световая характеристика — зависимость фототока от освещённости.

Некоторые другие параметры приведены в таблице.

Таблица

 

Условное графическое обозначение фотодиодов показано на рис.9, фотографии некоторых фотодиодов – на рис.10.

 

 

 

 

Рис. 9 Рис.10

4. Применение фотодиодов. Современные фотодиоды обладают наилучшим сочетанием основных параметров:

1. Высокая чувствительность к оптическим сигналам;

2. Высокое быстродействие;

3. Малое рабочее напряжение;

4. Линейная зависимость фототока от освещённости в широком диапазоне освещённостей.

5. Низкий уровень шумов;

6. Простота устройства.

Поэтому они широко применяются в устройствах автоматики, вычислительной и лазерной техники, волоконно-оптических линиях связи.

В повседневной жизни фотодиоды используются в таких приборах, как устройства чтения компакт-дисков, современные фотокамеры, различные сенсорные устройства.

Например, инфракрасные фотодиоды применяются в пультах дистанционного управления, системах охраны, безопасности и автоматики.

Существуют рентгеновские фотодиоды, применяемые для регистрации ионизирующего излучения и частиц с высокой энергией. Одно из важных применений — в медицинских приборах, например в установках для проведения компьютерной томографии.

устройство, характеристики и принципы работы

Основными характеристиками фотодиода являются: ВАХ, световая и спектральная.

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

Рис. 1.7 ВАХ фотодиода.

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

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

E обр — I ф · R = U,

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

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

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

Рис.1.8. ВАХ фотодиода в фотогальваническом режиме.

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

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

Рис. 1.9. Световая характеристика ФД.

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

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

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

Фотодиодный режим

Рис.1.10.Световые характеристики ФД

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

Диодный режим имеет по сравнению с генераторным следующие преимущества:

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

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

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

Основными параметрами являются:

· темновой ток I т.

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

· Интегральная чувствительность K ф.

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.

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

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

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

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

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

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


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

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

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

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

Принцип действия фотодиода

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

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

Характеристики фотодиодов

Свойства фотодиода можно охарактеризовать следующими характеристиками:

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

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

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

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

Темновое сопротивление — сопротивление фотодиода в отсутствие освещения.

Интегральная чувствительность определяется формулой:

где 1 ф — фототок, Ф — освещенность.

Инерционность

Существует три физических фактора, влияющих на инерционность:

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

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

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

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

Расчет КПД фотодиода и мощности

КПД вычисляется по формуле:

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

U — напряжение на фотодиоде.

Расчет мощности фотодиода иллюстрирует рис. 2.12 и таблица 2.1.

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

Максимальная мощность фотодиода соответствует максимальной площади данного прямоугольника.

Таблица 2.1. Зависимость мощности от КПД

Мощность освещенности, мВт

Сила тока, мА

Напряжение, В

КПД, %

Применение фотодиода в олтоэлектронике

Фотодиод является составным элементом во многих сложных оптоэлектронных устройствах:

Оптоэлектронные интегральные микросхемы.

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

Многоэлементные фотоприемники.

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

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

Как происходит восприятие образов?

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Применение фотоприемников

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

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

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

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

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

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

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

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

ИК спектра

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Таблица 2.2. Излучающие диоды инфракрасного спектра

ИК диод

Мощность излучения, мВт

Длина волны, мкм

Ширина спектра, мкм

Напряжение на приборе, В

Угол излучения, град

нет данных

нет данных

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

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

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

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

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

Рекомендуем также

Фотодиод — chipenable.ru

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

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

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

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

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

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

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

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


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


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


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


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

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

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

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

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

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

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

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

Продолжение следует.

фотодиодов и других световых датчиков [Analog Devices Wiki]

Джеймс Брайант

Эта статья была написана, чтобы ответить на ряд вопросов, с которыми автор столкнулся, как инженер по аналоговым приложениям, относительно характеристик фотодатчиков и схем интерфейса фотодатчиков — как для приложений переменного, так и постоянного тока. За исключением того, что все они используют фотосенсоры и схемы их интерфейса, речь идет не о цифровой фотографии, спектрофотометрии, оптической сигнализации, системах безопасности, робототехнике или любой другой системе, зависящей от фотосенсоров — это просто интерфейс от оптического сигнала к электронному.В основном тексте обсуждается способ работы большинства фотоэлементов в не слишком требовательных приложениях — в многочисленных сносках упоминаются эффекты второго и третьего порядка, которые иногда могут быть важны, но обычно их можно проверить, а затем проигнорировать.

Для целей этой статьи свет состоит из электромагнитного излучения видимого диапазона (длины волн приблизительно 400-800 нм), ближнего инфракрасного диапазона [1] (IR-A: 800-1400 нм или, возможно, немного больше) и ближнего ультрафиолетового диапазона. [1] (УФ-A: 320-400 нм или, опять же, возможно, немного больше) областей.Не все световые датчики реагируют на все длины волн в этом диапазоне, и при выборе одного из них важно знать, как его чувствительность зависит от длины волны.

В основном мы будем обсуждать фотодиоды, поскольку они являются самыми дешевыми датчиками света и, как правило, самыми простыми в использовании, но есть несколько других датчиков света, о которых инженеры-аналоговые инженеры должны знать.

Вакуумные фотоэлементы

Рис. 1A Фототрубка — первый фотосенсор

Первым таким датчиком была «фототрубка» или «фотоэлектрический элемент» (рис. 1A), который состоит из фоточувствительного катода в вакуумной (или, иногда, газовой) трубке, которая при освещении испускает электроны, которые движутся к положительно смещенному аноду, позволяя течь току, пропорциональному силе света.Простые вакуумные фотоэлементы сегодня используются редко, но фотоэлементы, которые используют вторичное излучение от нескольких электродов (динодов) со ступенчатыми потенциалами (рис. 1B) для умножения каждого электрона от фотокатода на величину до 160 дБ , являются важными фотодатчиками в ядерной и элементарной физика, астрономия, медицинская визуализация, сканирование кинофильмов, радиолокационные контрмеры и высококачественные сканеры изображений, известные как барабанные сканеры. Их сочетание высокого усиления, низкого уровня шума, очень быстрого отклика и большой площади светосбора в настоящее время не может сравниться ни с одной твердотельной схемой, а фотоумножители представляют собой применение технологии электронных ламп, которая все еще находится на переднем крае ценных электронных технологий.Технология также используется в приборах ночного видения.

Рис. 1B Фотоумножитель — упрощенная схема и реальное устройство

Фоторезисторы

Другой тип светового датчика использует изменение электрического сопротивления в зависимости от освещенности некоторых материалов (наиболее распространенными являются сульфид кадмия [CdS] и селенид / сульфид кадмия [Cd 2 SeS]) для создания «фоторезисторов [2] » . До недавнего времени такие фоторезисторы были самой распространенной формой фотосенсоров, несмотря на их медленную реакцию на изменение светового потока, но комбинированное воздействие более низких цен на фотодиоды и юридических ограничений на использование кадмия из-за его токсичности [3] привело к сокращению их использования в последнее время. годы.

Рис 2 Недорогой фоторезистор CdS

Фоторезисторы по-прежнему широко используются в сочетании с переменным источником света (первоначально лампа накаливания — теперь почти всегда светодиод) в качестве изолированных переменных резисторов [4] — поскольку они являются резисторами, они не поляризованы (они могут быть подключены любым способом. ) и будет работать с переменным током.

Рис.3 Регулировка усиления фоторезистора

Фоторезисторы, использующие более экзотические материалы (сульфид свинца [PbS], антимонид индия [InSb] и германий, легированный медью), неоценимы и в настоящее время незаменимы в качестве фотоприемников в средней и дальней инфракрасной области.

Проводимость [5] фоторезистора пропорциональна интенсивности падающего на него света. Это означает, что ток в фоторезисторе с фиксированным напряжением на нем пропорционален падающему свету (постоянная пропорциональности будет зависеть от длины волны и температуры устройства — подробности см. В техническом паспорте [6] устройства) .

В дополнение к их фотоустойчивости существует также очень высокая (мегом или десятки мегомов) «утечка» или «темновое сопротивление» параллельно с ним, что позволяет протекать очень небольшому току, когда устройство не освещено.В некоторых устройствах CdS это темновое сопротивление может зависеть от того, освещалось ли устройство в течение последних нескольких часов или даже дней, что делает такие фоторезисторы непригодными для очень точных измерений, поскольку их утечка зависит от их недавней истории освещения.

Фотодиоды и фототранзисторы

Большая часть статьи касается фотодиодов. Полупроводниковый диод — это кристаллический кусок полупроводникового материала, содержащий p-n-переход с подключениями к областям P и N — его работа обсуждается в Приложении A.Все полупроводниковые диоды в некоторой степени являются фотодиодами, но некоторые из них гораздо более чувствительны, чем другие.

В целях упрощения анализа мы можем смоделировать фотодиод как идеальный (нефоточувствительный) диод, подключенный параллельно светозависимому источнику тока. Этот источник тока является довольно линейным — ток более или менее пропорционален падающему свету в диапазоне 1000: 1 или лучше — но диапазон длин волн, к которому он чувствителен, зависит от материала, из которого изготовлен диод.

(Его обратный ток утечки слишком мал, чтобы быть очевидным.)

Идеальный диод с обратным смещением (, т. Е. , его анод отрицателен по отношению к катоду) действует как изолятор, но имеет небольшой температурно-зависимый ток утечки, в значительной степени не зависящий от напряжения обратного смещения [7] , которое удваивается с каждые 10 ° C повышение температуры устройства. Параллельно диоду имеется небольшая емкость, которая уменьшается по мере увеличения обратного смещения.

При прямом смещении (положительный анод) ток диода экспоненциально возрастает с увеличением напряжения (уравнения см. В Приложении A), но с практической точки зрения ток слишком мал, чтобы иметь значение, пока не будет достигнуто «пороговое» или «изломанное» напряжение. Это напряжение зависит от материала диода и может варьироваться от 200 мВ для кремниевых диодов Шоттки до примерно 4 В для синих светодиодов, использующих нитрид галлия — нормальные кремниевые диоды имеют порог около 700 мВ .Пороговое напряжение уменьшается с увеличением температуры устройства, а параллельная емкость диода с прямым смещением увеличивается с увеличением напряжения смещения.

Рис.5 Идеальный полупроводниковый фотодиод

Фотодиод с подсветкой содержит идеальный диод и источник тока, зависящий от света (и некоторую переменную емкость по напряжению). Фототок — это KL, где K — постоянная величина, зависящая от фотодиода и длины волны света, а L — интенсивность света (обратите внимание, что K является характеристикой конкретного фотодиода, а не k , которая — постоянная Больцмана — 1.3806E-23 JK -1 ). Если фотодиод разомкнут или нагружен только с очень высоким сопротивлением, анод будет достаточно положительным, чтобы фототок протекал в диоде, а напряжение на фотодиоде будет пропорционально логарифму интенсивности света. Это поведение можно измерить, используя операционный усилитель электрометра с очень низким током смещения, такой как AD549 (I b ~ 40 фА), но фотодиоды редко используются именно таким образом.

Существует два практических режима работы фотодиода — фотопроводящий режим и фотоэлектрический режим.

Рис.6 Фотодиод в фотопроводящем режиме

Если фотодиод смещен в обратном направлении, его ток будет складываться из его утечки и фототока, а его емкость будет ниже, чем при прямом смещении, что удобно при измерении модулированного ВЧ света. Соответствующая схема предназначена для усиления этого тока. Это светопроводящий режим работы. (Можно усилить фототок несмещенного фотодиода, введя его в суммирующий переход операционного усилителя, но его емкость немного выше в этом «режиме фотоэлектрического тока».)

Не только диоды светочувствительны — большинство транзисторов, которые, в конце концов, также содержат P-N-переходы, также являются светочувствительными. Полвека назад электронным экспериментаторам-любителям было хорошо известно, что если удалить черную краску со стеклянного корпуса германиевого транзистора Mullard [8] OC71, он станет светочувствительным — фактически, он имел почти такие же характеристики, как и фототранзистор OCP71, который стоит в пять раз дороже! Мало кто покупал более дорогую деталь, пока в конце концов Маллард не изменил дизайн корпуса OC71, так что удаление краски по-прежнему не позволяло свету достигать структуры транзистора.

Фототранзистор — это транзистор, переход база-коллектор которого намеренно сделан более светочувствительным. Часто он не имеет подключения к внешней базе. Фототок диода протекает в цепи база-эмиттер и усиливается коэффициентом усиления транзистора по току ß. Таким образом, чувствительность фототранзистора в ß (~ 30-200) раз больше, чем у аналогичного диода. Однако времена переключения фототранзисторов с неподключенной базой медленные (типичные фототранзисторы имеют время нарастания и спада порядка 10-20 мкс, а самые быстрые — всего 500-1000 нс ).Они всегда используются в режиме фотопроводимости, описанном выше, и могут быть удобны, когда для работы реле требуется одно светочувствительное устройство. Если доступно соединение с базой, подключение резистора от базы к эмиттеру снижает светочувствительность и увеличивает порог включения, но улучшает время десатурации и, следовательно, ускоряет выключение транзистора.

Рис.8 Фотодиод, используемый в режиме (фотоэлектрической) напряжения

Если фотодиод зашунтирован с резистором, выбранным таким образом, чтобы при протекании максимального ожидаемого фототока [9] в нем напряжение было на 20% ниже порогового напряжения диода, схема будет иметь выходное напряжение, пропорциональное падающему свету. и выходной импеданс, равный величине резистора (шунтированного емкостью диода).В этой фотоэлектрической конфигурации соответствующая схема управляется напряжением.

Если мы зайдем на веб-сайты основных дистрибьюторов электронных компонентов, мы обнаружим, что самые дешевые фотодиоды стоят около 15 и являются чувствительными к инфракрасному (ИК) кремнию с пороговым напряжением около 700 мВ , тогда как самые дешевые светодиоды стоят менее 4. и имеют порог в 2-5 раз больше. Эти недорогие светодиоды чувствительны к видимому свету и во многих случаях столь же чувствительны, как и специализированные фотоэлементы, когда используются как таковые.Конечно, специализированные фотодиоды охарактеризованы и испытаны на соответствие спецификациям фотодиодов и, вероятно, будут иметь более быстрое время отклика, чем светодиоды, но светодиоды нетрудно охарактеризовать, их можно выбрать по определенным спектральным характеристикам и часто они могут служить двойной цели в системе. , действующий как индикатор и измеритель внешней освещенности, или как оптический передатчик и приемник. Микроконтроллер ATMega328, используемый в Arduino (и ADuC7023 от Analog Devices и многие другие их аналоговые микроконтроллеры, включая их последние [10] ADuCM320), имеет несколько портов, которые могут быть настроены как как цифровые входы / выходы, так и как аналоговые с очень высоким импедансом. входы цифрового преобразователя (АЦП).Светодиод и два резистора на таких портах позволяют одному выводу одновременно управлять индикаторной лампой и измерять внешнюю освещенность.

Светодиоды, используемые в качестве фотодиодов, нечувствительны к длинам волн, превышающих их собственную пиковую выходную длину волны. Конечно, если они заключены в цветной пластик, это повлияет на их реакцию, но светодиоды из прозрачного пластика [11] часто, но далеко не всегда (проверьте устройство, которое вы собираетесь использовать), имеют довольно широкий отклик на длины волн короче собственных [12] .Кремниевые фотодиоды более чувствительны в ближнем ИК-диапазоне до 1000 нм и менее чувствительны к видимым длинам волн [13] .

Одноцветные светодиоды представляют собой простые диоды и имеют более или менее монохроматический световой поток [14] и, конечно же, многоцветные светодиоды представляют собой просто массивы из двух или более одноцветных. Белые светодиоды изготавливаются разными способами и довольно сложны. Большинство из них действуют как фотодиоды, но их характеристики, вероятно, также будут более сложными — это не означает, что они не могут использоваться в качестве фотодиодов, но предупреждение о том, что их спектральная чувствительность и их электронные характеристики могут нуждаться в тщательной проверке, когда делать это.Само собой разумеется, что сложные устройства, содержащие светодиоды и другие схемы [15] , не подходят для использования в качестве фотодиодов.

В Приложении B содержится краткое обсуждение методов измерения фотоэлементов, которые позволяют легко определить характеристики светодиода как фотодиода.

Лабораторная деятельность: светодиоды как датчики света

Применение фотоэлементов

В этом разделе мы обсудим интерфейс между фотосенсором и связанной с ним электроникой.На самом деле существует всего два применения фотоэлементов — измерение света и прием модулированного света.

Когда мы измеряем свет, мы можем измерять его интенсивность или просто определять, присутствует ли он. Мы видели, что фотодиоды имеют фототок, а фоторезисторы имеют проводимость, пропорциональную падающему на них свету (в этом разделе мы не будем обсуждать изменение спектральной чувствительности). Если мы измеряем фототок (в случае фоторезистора с определенным напряжением смещения), мы можем измерить падающий свет.

Для фотометрии (люксметры, экспонометры, системы управления освещением с обратной связью и т. Д.) Мы, возможно, захотим сделать это точно, для многих приложений с фотоэлементами нам просто нужно знать, присутствует ли свет или нет — хотя почти всегда «присутствует» «На самом деле означает присутствие выше некоторого низкого уровня окружающей среды. Если свет, который мы обнаруживаем, является выходом светодиода, и может присутствовать другой свет, обычно лучше модулировать выход светодиода и различать модулированный свет и фоновое освещение.Мы обсудим это позже.

В классическом фотодетекторе используется фотоэлемент (фотодиод в токовом режиме или фоторезистор), включенный последовательно с резистором R s и транзистором. Резистор выбирается таким образом, чтобы при достаточно большой интенсивности света транзистор включался или выключался.

Транзистор может быть биполярным переходным транзистором (BJT), транзистором Дарлингтона или полевым МОП-транзистором. В прошлом BJT часто использовались как более дешевые, чем MOSFET, но теперь это уже не так, и лучшим выбором на самом деле является MOSFET.Его выходом может быть реле или резистор с логическим выходом, взятым со стока / коллектора, или сток / коллектор с разомкнутой цепью, предназначенный для логического соединения «проводное ИЛИ». Можно использовать устройства N-канал / NPN или P-канал / PNP, но поскольку задействованная схема одинакова для обоих, за исключением обратной полярности, все примеры и расчеты в этой статье предполагают использование N-канальные / NPN устройства.

Достаточно сложно написать алгоритм для определения значения R s , поэтому оно часто определяется экспериментально (или даже регулируется с помощью потенциометра в каждой отдельной системе!). Это потому, что обычно трудно предсказать интенсивность света на фотоэлементе в данной системе, и во многих случаях также трудно определить чувствительность фотоэлемента к фактическому цвету используемого света.

Пороговое напряжение, В, , -й, , транзистора — это входное напряжение (затвор-исток или база-эмиттер), при котором его выход (сток или коллектор) начинает проводить. У разных производителей используются разные символы ( V gs (th) , V gs0 и т. Д.). Значения порогового тока для «начала проведения» будут варьироваться от устройства к устройству, но поскольку небольшие изменения входного напряжения в этой области вызывают большие изменения выходного тока, обычно для наших расчетов не имеет большого значения, какое значение порогового тока выбрано.

Биполярный транзистор включается, когда его напряжение база-эмиттер составляет около 700 мВ, , биполярный транзистор Дарлингтона около 1300 мВ , а полевой МОП-транзистор слабого сигнала обычно имеет В, th в диапазоне 900-2400 . мВ (RTFDS 6) Полевые МОП-транзисторы высокого напряжения могут иметь более высокие значения, но не часто используются в схемах фотоэлементов.

Рис.9 Классический фотодетектор — транзистор проводит при наличии света
(на схеме показаны возможные устройства, которые можно использовать)

В обычной схеме транзистор проводит в присутствии света, включает нагрузку реле или создает логический 0 на N-канальном / NPN стоке / коллекторе.Падение напряжения на R s должно быть равно В th , когда в нем протекает I t (ток фотоэлемента на пороге переключения). С фотодиодом I t более или менее не зависит от его напряжения смещения, поэтому

[1]

но с фоторезистором

[2]

или же

[3]

где V s — напряжение питания, а R t — пороговое сопротивление (или G t — пороговая проводимость) фоторезистора.Это дает значение R s , определяемое уравнениями

[4]

или же

[5]

Рис. 10 Классический инвертирующий фотодетектор — транзистор ведет себя при отсутствии света
(на схеме показаны возможные устройства, которые можно использовать)

В другом устройстве (инвертирующий фотодетектор) транзистор выключен при наличии света, отключая релейную нагрузку или создавая логическую 1 на N-канальном / NPN стоке / коллекторе.В этом случае падение напряжения на R s должно быть равно ( V s V th ), когда в нем протекает I t (ток фотоэлемента на пороге переключения). Опять же, уравнение фотодиода простое

[6]

но с фоторезистором

[7]

или же

[8]

где V s — напряжение питания, а R t — пороговое сопротивление (или G t — пороговая проводимость) фоторезистора.Это дает значение R s , определяемое уравнениями

[9]

или же

[10]

Фотодиод, работающий в фотоэлектрическом режиме, также будет действовать как фотодетектор. Его шунтирующий резистор R s выбран так, чтобы при протекании в нем I t напряжение было равно В, , -й, устройства, которым он управляет.

[11]

Очевидно, что материал фотодиода, выбранный для этого применения, должен иметь пороговое напряжение проводимости, превышающее В, , , .Обычно это означает, что используемый таким образом фотодиод не будет кремниевым устройством [16] .

Рис. 11 Фотодетектор с использованием фотодиода в фотоэлектрическом режиме
В -й (фотодиод) > В -й (транзистор)
(на схеме показаны возможные устройства, которые могут быть использованы — он не работает с фоторезистором).

Если биполярное устройство — BJT или даже Дарлингтона — используется в любой из схем на рисунках 9-11, его минимальный базовый ток при полностью включенной нагрузке должен составлять не более 20% от I t .Если сопротивление нагрузки коллектора (резистор или реле) составляет R L , а напряжение питания В с , ток коллектора будет В с / R L , а минимальный базовый ток I b (мин) , В с / ßR L где ß — коэффициент усиления по току биполярного устройства. Так

и поэтому [12]

в противном случае базовый ток, необходимый для переключения биполярного устройства, может быть слишком большим для питания сети, образованной фотоэлементом и R s .Если нагрузка представляет собой реле и невозможно использовать реле с достаточно большим R L , биполярное устройство следует заменить на полевой МОП-транзистор. (Разумно предположить, что в худшем случае минимальное значение ß для простого BJT равно 30, а для слабосигнального Дарлингтона — 500.)

Проблема со всеми этими схемами заключается в том, что если значение освещенности близко к пороговому значению, транзистор действует как (довольно) линейный усилитель и производит небольшие изменения выходного сигнала в ответ на электрический или оптический шум.Если в оптической части системы наблюдается большое изменение освещенности и нет задержек, близких к пороговому, это вряд ли будет проблемой, но в противном случае необходима другая схема.

В простейшей схеме используется логический вентиль входа триггера Шмитта. Это логические схемы с аналоговой положительной обратной связью на их входных каскадах, так что когда входное напряжение на логическом входе увеличивается с нуля, логический выход не изменяется до тех пор, пока на входе не будет (очень грубо) около 50-60% напряжения питания, когда выход меняет свое логическое состояние.Многие логические элементы имеют линейную область, в которой они действуют как усилители (низкого качества), но эти устройства очень быстро переключаются из одного состояния в другое, когда входной сигнал достигает порогового значения. Если теперь входной сигнал уменьшен, выход не изменится обратно, пока входной сигнал не уменьшится примерно на 30% от напряжения питания. (Обратите внимание, что эти значения довольно широко варьируются в зависимости от типа устройства, используемого напряжения питания и даже от устройства к устройству — эти устройства имеют отличный гистерезис, но не являются точными датчиками уровня.)

Рис. 12. Фотодетекторы с гистерезисом
(На этой схеме показаны возможные конфигурации устройства ввода и дополнительный драйвер реле.)

Такие входные логические вентили Шмитта доступны с диапазонами питания от 2 В, до 18 В, (ни одна деталь не имеет такого широкого диапазона, но доступны детали, которые могут использоваться с любым источником питания от 3 В до 18 В ). Они доступны в традиционных пакетах DIL и SOT с 4 или 6 затворами в упаковке (например, 4093 и 40106 «серии 4000») или в виде одиночных или двойных буферов или инверторов в крошечном корпусе SO-23 всего за 6 центов. в большом количестве (Toshiba TC4S584F и многие другие).

Диапазон пороговых напряжений для различных источников питания будет указан в паспорте и может использоваться в уравнениях [1] [4] [5] [6] [9] [10] и [11]] для расчета подходящих значений R . с .

Эти ворота Шмитта недороги, удобны и просты в использовании, но не очень точны. Тем не менее, они достаточно точны для многих операций по определению порога освещенности и, вероятно, являются идеальным выбором для большинства приложений, не связанных с измерением освещенности.Мы могли бы заменить его триггером Шмитта, построенным из дискретных компонентов, но это будет стоить дороже, потреблять больше компонентов и площади платы и почти наверняка потреблять больше энергии. Выход этих входных вентилей Шмитта представляет собой логический уровень (некоторые из них являются инверторами, некоторые — буферами — убедитесь, что вы знаете, что вы используете — показанный на рис. 12, это неинвертирующий буфер). Если требуется срабатывание реле, запустите его с помощью МОП-транзистора, подключенного к выходу Шмитта. Это также показано на рис. 12 в качестве опции.

Там, где нам нужна более высокая точность, необходим компаратор (или АЦП — см. Ниже). Компаратор — это устройство с двумя входами и логическим выходом [17] . Выход указует, какой из двух входов более положительная, чем другие, так что, если мы подключить фотоэлемент последовательно с сопротивлением по напряжению V х и центрального кран на один вход компаратора и опорное напряжение ( V исх) к другому логика будет указывать достаточно точно или нет больше или меньше, чем опорное напряжение, напряжение сигнала в цепи фотоэлемента.При соответствующей калибровке это позволяет нам проводить точные сравнения освещенности. Компаратор также может управляться фотодиодом, работающим в фотоэлектрическом режиме.

Компараторы иногда имеют встроенный гистерезис и почти всегда могут иметь гистерезис, добавленный простой дополнительной схемой. На рис. 13 показано, как это делается с двумя резисторами (которые можно не использовать, если гистерезис не нужен). В статьях, упомянутых в сноске [17] , более подробно обсуждаются правильные номиналы резисторов и другие вопросы, касающиеся компараторов.

Рис. 13 Точный фотодетектор с использованием компаратора
(на схеме показаны возможные конфигурации, которые можно использовать)

Уравнения, связывающие характеристики фотоэлементов, В, , , ссылка и R , s , очень похожи на уравнения [1] — [10], за исключением того, что В, , -й, , становится опорным напряжением В, , , ссыл. .

Лучший способ точно измерить диапазон выходных сигналов фотоэлементов — это использовать схему аналогового интерфейса, используя операционный усилитель или управляя подходящим аналого-цифровым преобразователем (АЦП) непосредственно с фотоэлемента.

Рис.14.Цепи фотодиодов с выходом напряжения

Выходы схем фотодиодов на рис. 14 представляют собой напряжения, пропорциональные падающему свету, которые могут быть усилены операционным усилителем или отправлены непосредственно на вход АЦП с достаточно большим Z в , чтобы он не загружал схему управления. Это.

Рис.15 Цепи фоторезистора с выходным напряжением (нелинейные)

Выходные напряжения схем фоторезисторов на рис. 15, хотя и вполне предсказуемы, не просто пропорциональны падающему свету и требуют линеаризации — это одна из причин, почему лучше использовать фотодиоды, чем фоторезисторы.

Рис.16 Упрощенная схема входа АЦП с коммутируемым конденсатором

Вход многих, если не большинства, АЦП содержит коммутируемые конденсаторы, которые потребляют токи высокой частоты (ВЧ). Следовательно, на входе должен быть небольшой конденсатор для заземления очень близко к АЦП, чтобы гарантировать, что эти ВЧ-токи протекают на местную землю, а не на фотоэлемент, буферный усилитель или другое место в системе [18] .

Рис.17 Разделение аналоговых входов АЦП

Прочтите техническое описание АЦП и любые примечания по применению, чтобы обсудить подходящие значения и их влияние на производительность АЦП и системы, в которой он используется.

Лучшим интерфейсом между фотодиодом и операционным усилителем является преобразователь тока в напряжение, который также работает с фоторезистором, при условии, что напряжение смещения фоторезистора поддерживается постоянным. Это показано на рис. 18.

Рис.18 Схема преобразователя ток-напряжение от фотоэлемента

Ток от фотоэлемента течет в суммирующий переход на инвертирующем входе операционного усилителя. Отрицательная обратная связь поддерживает одинаковое напряжение на инвертирующем и неинвертирующем входах, поэтому выходное напряжение на R fb заставляет ток в нем быть равным току фотоэлемента.Очевидно, что для этой схемы требуется операционный усилитель с током смещения, намного меньшим, чем фототок, поэтому в таких схемах обычно используются операционные усилители с полевым транзистором.

Если мы хотим измерить фототок переменного тока, но не интересуемся постоянным током или случайно изменяющимся фототоком из-за окружающего света, есть два возможных метода. Самый простой — ограничить усиление усилителя на рис. 18, уменьшив R fb , чтобы усилитель не перегрузился из-за максимально возможного фототока переменного и постоянного тока, с которым, как ожидается, может столкнуться система.Затем переменная составляющая сигнала емкостно связана со вторым усилителем с коэффициентом усиления, достаточным для данного приложения.

Или мы можем подключить фотоэлемент последовательно с подходящей катушкой индуктивности, которая будет заземлять постоянную составляющую его сигнала. Затем мы подключаем сигнал переменного тока к усилителю. Если полоса пропускания сигнала мала, индуктор можно зашунтировать с помощью конденсатора, чтобы создать параллельную LC-цепь с подходящей добротностью, чтобы получить узкую полосу пропускания и высокое внутриполосное усиление. Если используется настроенная схема, она должна управлять усилителем напряжения с высоким входным сопротивлением, чтобы не ухудшать добротность.Этот усилитель не должен управлять индуктивной нагрузкой, иначе взаимодействие нагрузки и емкости обратной связи («Миллера») может вызвать нестабильность.

Рис.19.Нагрузка фотоэлемента с настроенной узкой схемой и усилителем переменного тока.

Если ненастроенная катушка индуктивности используется в качестве простого импеданса с высоким переменным током / низким постоянным током, изменения импеданса с частотой можно избежать, используя преобразователь переменного тока в напряжение (трансимпедансный усилитель), а не усилитель напряжения. Это эффективно замыкает катушку индуктивности на переменном токе (поэтому она не работает с настроенной схемой), поскольку переменный ток от фотоэлемента течет к виртуальной земле инвертирующего входа усилителя.

Рис.20 Индуктивная нагрузка фотоэлемента с преобразователем переменного тока в напряжение

Индукторы для приложений, показанных на рис. 19 и 20, должны быть выбраны так, чтобы они могли выдерживать максимальный ожидаемый фототок без насыщения — это маловероятно, но не следует упускать из виду.

Фотодетекторы, использующие источник модулированного сигнала, о котором я упоминал ранее в этой статье, могут обнаруживать модуляцию, используя одну из вышеупомянутых схем усилителя и своего рода частотный детектор.Если сигнал оцифрован, доступно множество программного обеспечения для обнаружения тонального сигнала, но простая микросхема NE567 PLL , впервые изготовленная почти сорок лет назад компанией Signetics и все еще доступная от ряда производителей (префиксы меняются, но 567 постоянен) это все, что нужно для этого приложения.

Рис.21 Тональный детектор для систем с модулированным лучом, использующий 567 PLL

Значения C1 и C2 на приведенной выше диаграмме зависят от обнаруживаемой частоты тона.Для получения более подробной информации обратитесь к листу данных 567, но при входном переменном токе = 200 мВ среднеквадратичное значение частота тона F определяется C1, а ширина полосы обнаружения — C2. Уравнения следующие:

[13]

[14]

(BW рассчитывается как процент от F.)

Существует бесчисленное множество других применений фотосенсоров, но эта статья предназначена только для обсуждения их характеристик и способов их использования, а не для рассмотрения систем, в которых они используются.

Джеймс Брайант
Калшот — Англия
августа 2014 г.

Вернуться к предыдущей главе

Перейти к следующей главе

Вернуться к содержанию

ПРИЛОЖЕНИЕ A — Полупроводниковые диоды

В полупроводниковом P-N-переходе подвижные электроны (электроны зоны проводимости) из N-области диффундируют в P-область и «рекомбинируют» с дырками там, в результате чего область вокруг перехода обедняется носителями заряда и, по сути, изолятором.Этот процесс ограничен, поскольку положительные ионы-доноры в области N (оставленные диффундирующими электронами) и отрицательные ионы-акцепторы в области P (образующиеся при заполнении дырок) создают электрическое поле в зоне обеднения, которое предотвращает дальнейшее электронное диффузия. При комнатной температуре потенциал, вызванный этим механизмом, составляет примерно 700 мВ для простых кремниевых переходов, 300 мВ для германиевых диодов, 200 мВ для кремниевых диодов Шоттки и между 1.8 В (ИК и красный) и 4 В (синий и УФ) для светодиодов разных цветов.

Если отрицательное внешнее напряжение смещения (часто называемое обратным смещением , ) приложено к области P, оно усиливает зону обеднения, которая остается изолятором, но положительное напряжение смещения ( прямое смещение ) позволяет продолжаться рекомбинации и течет ток. на стыке. Уравнение [19] , связывающее этот ток ( I ) с напряжением смещения ( В, ), имеет следующий вид:

[15]

где I s — «ток шкалы» или «ток насыщения обратного смещения», k — постоянная Больцмана (1.3806E-23 JK -1 ), T — абсолютная температура, q — заряд электрона (-1,602E-19 C).

это не единственный член в уравнении, который зависит от температуры — ток шкалы, I s , также удваивается при повышении температуры на 10 ° C.

При отрицательном (обратном) смещении (, то есть В, положительный, а заряд электрона отрицательный, поэтому показатель степени большой и отрицательный) экспоненциальный член очень мал и.Однако обратный ток большинства диодов на самом деле намного больше, чем ток шкалы из-за производственных дефектов в PN-переходе, поэтому уравнение не очень точное для реальных диодов и обратного смещения — тем не менее, полный обратный ток обычно ведет себя примерно так же как ток шкалы в том смысле, что он практически постоянен с напряжением смещения и удваивается на каждые 10 ° C повышения температуры. (Конечно, если обратное смещение приближается к напряжению пробоя диода или превышает его, его поведение становится намного более сложным — мы не будем обсуждать такое поведение в этой статье.)

Поскольку показатель степени намного больше единицы, уравнение для прямого тока можно упростить до

[16]

Таким образом, прямой ток экспоненциально связан с прямым напряжением — довольно небольшие изменения напряжения вызывают большие изменения тока. На практике это означает, что падение напряжения на обычном маленьком диоде или светодиодах при рабочих токах от 50 мкА до 20 мА будет увеличиваться с увеличением тока, но останется достаточно близким к потенциалу в зоне истощения, как упоминалось выше, i.е. 700 мВ для простых кремниевых переходов, 300 мВ для германиевых диодов, 200 мВ для кремниевых диодов Шоттки и между 1,8 В (ИК и красный) и 4 В (синий и УФ) для светодиодов разных цветов. При высоких токах, конечно, омическое сопротивление полупроводника и его соединений увеличивает ожидаемое для данного тока напряжение выше, чем предсказывается уравнением.

ПРИЛОЖЕНИЕ B — Измерительные фотодиоды

Основной принцип измерения характеристик фотодиода состоит в том, чтобы подвергнуть его воздействию света известной интенсивности на нескольких разных длинах волн, измерить фототок на каждой длине волны и построить кривую отклика.Это легко сделать, если у вас есть доступ к дорогостоящему спектрофотометру, но в противном случае получить точно настраиваемый источник света довольно сложно.

Но некоторые фотоэлементы достаточно хорошо охарактеризованы, и можно сравнить отклик неизвестного фотоэлемента с откликом хорошо охарактеризованного на те же источники света. Это дешево и легко получить светодиоды высокой интенсивности различных цветов от УФ до ИК, и в технических паспортах некоторых производителей очень хорошо описываются спектры их светодиодов.Если мы получим хорошо охарактеризованный (с точки зрения спектрального изменения чувствительности, не обязательно абсолютной чувствительности) фотоэлемент, охватывающий интересующий нас диапазон длин волн, и выберем шесть или семь 5-миллиметровых светодиодов с пиковыми длинами волн, достаточно равномерно распределенными в этом диапазоне, мы может выполнить довольно хороший спектральный анализ и анализ чувствительности характеристик неизвестного фотодиода, сравнив его отклик с откликом фотодиода с известными характеристиками в стандартных условиях.

Если калибровочный и проверенный фотоэлементы также находятся в 5-миллиметровых упаковках, это легко сделать: просверлите 5-миллиметровое отверстие в небольшом куске черного дерева, черного АБС, блока из углеродного волокна или другого темного материала.Вставьте по очереди светодиоды с одного конца и фотоэлементы с другого и сравните. Если ваш тестируемый фотодиод имеет другой диаметр, попробуйте найти калибровочный фотодиод того же диаметра и просверлите отверстие подходящего диаметра глубиной 10 мм в коаксиальное отверстие для светодиода глубиной 10 мм и 5 мм.

Рис.22 Испытательные приспособления для использования светодиодов для измерений фотоэлементов

Помимо измерения спектральной чувствительности, может быть целесообразно измерить ток утечки, пороговое напряжение и, возможно, скорость переключения.Все это можно сделать с помощью цифрового вольтметра среднего диапазона, генератора быстрых импульсов, светодиода с быстрым временем переключения и осциллографа 100 МГц . Процедуры оставлены в качестве упражнения для студента.

[1] Международная комиссия по освещению (CIE) рекомендует разделить инфракрасное и ультрафиолетовое излучение на следующие шесть диапазонов:
Инфракрасное
• IR-A: 700 нм — 1400 нм (215 ТГц — 430 ТГц)
• ИК -B: 1400 нм — 3000 нм (100 ТГц — 215 ТГц)
• IR-C: 3000 нм — 1 мм (300 ГГц — 100 ТГц)
Ультрафиолет
• УФ-A: 315 нм — 400 нм (750 ТГц — 950 ТГц)
(Подразделяется на УФ-A1 (315–340 нм) и УФ-A2 (340–400 нм)
• УФ-B: 280– 315 нм (950–1070 ТГц)
• УФ-C: 100 нм — 280 нм (1070 ТГц — 3000 ТГц)

[2] Характеристики фоторезисторов подробно обсуждаются на веб-сайте Selco Products по адресу
http: // www.selcoproducts.com/pdfs/CdS-Photocells%20Catalog.pdf

[3] Существует ряд фотоэлементов CdS и Cd2SeS, совместимых с ROHS, но многие старые типы не соответствуют требованиям.

[4] Такое же устройство когда-то использовалось и для цифровых изоляторов, но сегодня они почти всегда используют фотодиоды или фототранзисторы.

[5] Электропроводность проводника — это легкость, с которой электрический ток проходит через этот проводник. (Обычной) обратной величиной является его сопротивление — сопротивление прохождению электрического тока.Официальная единица измерения проводимости в системе СИ — Сименс (S), но старое название «mho» и символ (Ʊ) все еще довольно широко используются, потому что старый символ с меньшей вероятностью будет перепутан с символом на секунду (ы). . Единицей измерения сопротивления является ом (Ом). Соотношения между напряжением ( В, ), током (I), сопротивлением (R) и проводимостью (G) следующие: —

[6] Прочтите Friendly Data Sheet (RTFDS). RAQ по этой теме можно найти по адресу
http://www.analog.com/static/imported-files/rarely_asked_questions/RAQ_caveat.pdf
и более подробные обсуждения на
http://www.analog.com/static/imported-files/rarely_asked_questions/moreInfo_raq_datasheet.html
http://www.analog.com/static/imported-files/rarely_asked_mpestions/moreInfo_raq_raq_. html
http://www.analog.com/static/imported-files/rarely_asked_questions/moreInfo_raq_opampbiasCurrents.html
http://www.analog.com/static/imported-files/rarely_asked_questions/moreInfo_raq_dcS

[7] Иногда параллельно с источниками тока имеется очень высокое сопротивление, так что утечка незначительно изменяется в зависимости от приложенного напряжения, но этот эффект обычно незначителен.

[8] Mullard была компанией, производящей термоэмиссионные клапаны («трубки») в Англии в 1920-х годах. Она стала частью Philips в 1927 году, но продолжала использовать торговую марку Mullard для своих клапанов и (с 1950-х годов) полупроводников до 1980-х годов.

[9] Или, при некоторых обстоятельствах, максимально желаемый — , то есть , максимально возможный свет иногда (довольно часто) может быть больше, чем нам нужно для измерения, поэтому проводимость диода при высоких уровнях света не важна.

[10] Август 2014 г.

[11] Пластик, который кажется прозрачным для глаза, не может пропускать волны вне видимого спектра (УФ или ИК).Если это имеет значение для вашего приложения, прочтите лист данных (или, при необходимости, проведите простой эксперимент или два), чтобы узнать, так ли это.

[12] Я провел несколько онлайн-исследований по этому поводу и получил противоречивые «факты». Кажется, нет никаких сомнений в том, что некоторые светодиоды имеют довольно широкую спектральную чувствительность в качестве фотодиода, а другие чувствительны в довольно узком диапазоне (не по Гауссу — есть довольно резкий переход на более низких частотах (более длинная длина волны) и более постепенный спад при длина волны уменьшается).Я подозреваю, что современные светодиоды высокой яркости имеют более широкую полосу пропускания, но имеют лишь несколько домашних измерений, подтверждающих эту гипотезу.

Я намерен провести больше измерений и изменю эту сноску, когда сделаю это. Пожалуйста, напишите мне [A], если вы устали ждать, или [B], если у вас есть хорошие измерения спектральной характеристики одного или нескольких типов светодиодов.

[13] В RAQ 45 «Стеклянные диоды могут видеть свет и шум» упоминается светочувствительность небольших стеклянных кремниевых диодов, таких как 1N914 / 1N4148.При ярком солнечном свете они имеют фототок порядка 10 нА, но при освещении ближайшей (30 см / 1 фут) лампой накаливания мощностью 60 Вт фототок составляет около 30 нА, а примерно 2 нА среднеквадратичное значение 100 Гц рябь на нем, тем самым демонстрируя их большую чувствительность в ближнем инфракрасном диапазоне — и примерно 100 Гц модуляцию света лампы накаливания мощностью 60 Вт.

[14] Спектр излучения простого светодиода представляет собой не одну узкую линию, как спектральные линии в газовом разряде, а довольно широкую (но все же относительно узкую — ширину полосы в несколько процентов от пика) полосу длин волн с гауссовым распределением вокруг номинальная пиковая длина волны.

[15] Простой интегральный последовательный резистор в светодиоде не влияет на его использование в качестве фотодиода, в отличие от большинства других встроенных схем. Сюда входят ограничители тока с активными устройствами, диодные мосты, встроенные диммеры и мигалки.

[16] Кремниевый фотодиод с порогом 700, мВ, , используемый таким образом, может управлять МОП-транзистором с исключительно низким порогом или входным затвором Шмитта, используя очень низкое напряжение питания.

[17] Характеристики компаратора обсуждаются в статье, прилагаемой к RAQ 11 «Компараторы и операционные усилители — могут они никогда не встретиться» (или хороший совет от г-наPunch) «
http://www.analog.com/en/all-operational-amplifiers-op-amps/operational-amplifiers-op-amps/product/raq_jbryant_comparators_opamps_may_issue11/resources/faq.html?display=popup.
Статья находится по адресу
http://www.analog.com/static/imported-files/rarely_asked_questions/op-AmpsAsComparatorsv1.ppt.
Можно использовать операционный усилитель в качестве компаратора, но есть проблемы, которые также обсуждаются в этой статье. Несмотря на то, что он написан для обсуждения конкретной проблемы приложения, это полезная краткая справочная информация о свойствах и использовании компараторов.

[18] Считайте RAQ 22 на входах АЦП.
http://www.analog.com/static/imported-files/rarely_asked_questions/RAQ_highfrequency.pdf

[19] Это уравнение часто записывается относительно смещения в области N, и в этом случае полярность В, меняется на противоположную, и уравнение принимает вид

Конструкция фотодиода

, рабочие типы и характеристики

Фотодиод — это в основном полупроводниковый детектор , который преобразует энергию света в ток или напряжение в зависимости от режима работы.Он имеет встроенный оптический фильтр, линзы и может иметь большую или небольшую площадь поверхности, когда свет падает на эту поверхность, это создает ток. Когда на эту поверхность нет света, он также дает небольшое количество света. Текущий. Ток, который производит это устройство, прямо пропорционален свету, падающему на поверхность фотодиода, но по мере увеличения площади поверхности время отклика для создания тока становится низким. Схематический символ показан на рисунке ниже:

Конструкция фотодиода

Фотодиод — это диод с PN-переходом, который образован из полупроводникового материала P-типа перехода, такого как бор, и полупроводникового материала N-типа, такого как фосфор.Его конструкция показана на рисунке

.

В соответствии с приведенным выше рисунком он образуется диффузией слаболегированной примеси p-типа в сильно легированную примесь n-типа, а область между примесью p-типа и примесью n-типа называется обедненной областью. Контактные площадки размещаются в области n-типа, называемой катодом, и области p-типа, называемой анодом. На этом рисунке некоторая часть передней области называется активной областью, которая покрыта антибликовым материалом для уменьшения отражения света, а остальная часть области называется неактивной областью, которая покрыта толстым слоем диоксида кремния (SiO2). .Чувствительностью и скоростью фотодиода для преобразования света в ток можно управлять, контролируя область толщины этой неактивной области. Фотодиод работает в режиме обратного смещения, т.е. отрицательное напряжение подается на анод, а положительное напряжение подается на катод

.

Принцип работы фотодиода

Фотодиод изготовлен из кремниевого полупроводникового материала, ширина запрещенной зоны которого составляет 1,12 эВ при комнатной температуре. Этот зазор фактически находится между валентной зоной и зоной проводимости, и при нулевой комнатной температуре валентная зона полностью заполнена отрицательными или положительными ионами, аналогично, зона проводимости полностью пуста, что означает отсутствие отрицательных или положительных ионов.При повышении температуры электроны в валентной зоне возбуждаются и переходят из валентной зоны в зону проводимости, и эти электроны называются свободными электронами. Эти свободные электроны могут свободно проводить ток. Когда материалы p-типа и n-типа образуют соединение, тогда становится градиент концентрации. Из-за этого градиента концентрации диффузия дырок из области материала p-типа и электронов из области материала n-типа создает напряжение на переходе, и из-за этого также образуется область взаимного обеднения.Напряжение в этой обедненной области создавало электрическое поле. Когда мы подключаем фотодиод в режиме обратного смещения, ширина этой обедненной области медленно увеличивается, в конечном итоге в этой области происходит пробой, и ток начинает течь от анода к катоду. Этот ток зависит от падения света на поверхность.

Режимы работы фотодиода

Фотодиод работает в рабочем режиме.

  1. Фотоэлектрический режим
  2. Фотопроводящий режим.
  3. Режим лавинного диода

Фотоэлектрический режим: Этот режим также известен как режим с нулевым смещением, и этот режим предпочтителен в тех приложениях, где мы используем этот фотодиод на частоте низкого уровня, а также при сверхнизком уровне света. Этот режим обеспечивает очень низкое изменение тока и нелинейное поведение при выработке напряжения.

Режим фотопроводимости: В этом режиме фотодиод используется в обратном режиме. Когда в этом режиме используется фотодиод, длина обедненной области увеличивается, но уменьшается емкость перехода и время отклика.В этом режиме ток линейно увеличивается по мере увеличения падения света, и он очень быстрый, но отображает электронный шум.

Режим лавинного диода: Этот режим используется в условиях сильного обратного смещения, а фотодиод работает в области лавинного пробоя. В этом режиме увеличилось внутреннее усиление и чувствительность устройства.

Характеристики V-I фотодиода

Он всегда работает в режиме обратного смещения. Вольт-амперная характеристика показана на рисунке, на котором обратные напряжения показаны по горизонтали в вольтах, а обратный ток — по вертикали в микроамперах.Согласно рисунку обратный ток практически не зависит от обратного напряжения. Когда освещенность равна нулю, обратный ток примерно равен нулю, но присутствует только небольшое количество тока, и этот ток называется темновым током. По мере увеличения освещенности обратный ток также линейно увеличивается. Видно, что при освещенности 1000 люкс обратный ток составляет 100 мкА, при освещении 1500 люкс обратный ток составляет 200 мкА, при освещении 2000 люкс обратный ток составляет 300 мкА и т. Д.это означает, что обратный ток увеличивается линейно. Мы можем видеть этот линейно возрастающий ток на рисунке.

Типы фотодиодов

В основном фотодиоды делятся на четыре типа.

  1. PN переход
  2. Лавина
  3. PIN Фотодиод
  4. Фотодиод Шоттки

PN Junction Photodiode: Это первая и простая форма, которая использовалась вначале, после этого было разработано так много технологий, но в настоящее время этот тип диодов в основном не используется.Он используется только при низкой частоте и для малочувствительных приложений.

Лавинный фотодиод: Фотодиод этого типа используется в тех областях, где свет имеет низкую интенсивность. Лавинный фотодиод обеспечивает высокий уровень усиления, но также производит высокий уровень шума, поэтому этот тип применим не для всех приложений.

PIN Фотодиод: На самом деле это фотодиод с p-i-n переходом, хотя это не первая форма, но в настоящее время этот тип широко используется во многих приложениях.Этот PIN-переход собирает фотоны света более эффективно, чем фотодиод на pn-переходе. Этот тип фотодиода также имеет меньшую емкость, чем другие типы.

Фотодиод Шоттки: По названию этого типа фотодиода мы можем проанализировать, что он принадлежит к диоду Шоттки, который используется для высокочастотного переключения. Этот тип диодов имеет высокую скорость. Он предлагает меньшую емкость и широкую полосу пропускания системы связи.

Применение фотодиода
  1. Они используются в фотопроводниках, фотоумножителях и устройствах с заряженной связью для генерации выходного сигнала, который зависит от освещенности
  2. они используются в электронном устройстве , таком как детектор дыма, проигрыватели компакт-дисков и инфракрасные пульты дистанционного управления , которые используются на телевидении, LCD и других устройствах.
  3. они используются в науке и промышленности для точного измерения силы света и демонстрируют более линейное поведение, чем фотопроводник.
  4. Они широко используются в медицинском оборудовании для компьютерной томографии.
  5. Фотодиоды
  6. PIN более чувствительны и быстрее, чем фотодиоды PN, поэтому они используются для регулирования света и оптической связи
  7. Они также используются в камерах, оборудовании для обеспечения безопасности, датчиках положения, датчиках штрих-кода, автомобильных устройствах и геодезических инструментах.

Принцип работы фотодиода »Электроника

Понимание того, как работают фотодиоды, помогает использовать их более эффективно.


Photo Diode Tutorial:
Фотодиодная технология Фотодиоды PN и PIN Лавинный фотодиод Фотодиод Шоттки Фотодиодные конструкции Теория фотодиода

Другие диоды: Типы диодов


Существует несколько различных типов фотодиодов: все они используют один и тот же базовый квантовый принцип, но реализация теории работы для каждого типа немного отличается.

Различия в работе разных типов фотодиодов позволяют использовать их индивидуальные характеристики по-разному, и таким образом можно максимизировать их преимущества и получить лучшую работу схемы.

Для этого необходимо иметь общее представление о том, как они работают.

Основы теории работы фотодиода

Энергия света может рассматриваться в терминах фотонов или пакетов света. Когда фотон с достаточной энергией попадает в область обеднения полупроводникового диода, он может ударить по атому с энергией, достаточной для высвобождения электрона из атомной структуры.Это создает свободный электрон и дырку (то есть атом с пространством для электрона). Электрон заряжен отрицательно, а дырка — положительно.

Электроны и дырки могут оставаться свободными, или другие электроны могут объединяться с дырками, снова образуя полные атомы в кристаллической решетке. Однако возможно, что электроны и дырки могут оставаться свободными и уноситься из обедненной области внешним полем. Таким образом, ток через диод изменится и возникнет фототок.

Работа фотодиода PIN / PN

Фотодиод работает при умеренном обратном смещении. Это сохраняет слой истощения свободным от каких-либо носителей, и обычно ток не течет. Однако, когда световой фотон попадает во внутреннюю область, он может ударить по атому в кристаллической решетке и выбить электрон. Таким образом создается пара дырка-электрон. Затем дырка и электрон будут мигрировать в противоположных направлениях под действием электрического поля через внутреннюю область, и можно увидеть, как течет небольшой ток.Было обнаружено, что величина тока пропорциональна количеству света, попадающего в собственную область. Чем больше света, тем большее количество пар дырочных электронов генерируется и тем больше протекает ток.

Рабочие диоды при обратном смещении увеличивают чувствительность, поскольку расширяют обедненный слой, в котором происходит фотоэффект. Таким образом, увеличение обратного смещения увеличивает активную площадь фотодиода и усиливает то, что можно назвать фототоком.

Типовая структура фотодиода с PIN-кодом

Также возможно работать с фотодиодами в условиях нулевого смещения в так называемом фотоэлектрическом режиме. При нулевом смещении свет, падающий на диод, вызывает ток через устройство, приводя к прямому смещению, которое, в свою очередь, индуцирует «темновой ток» в направлении, противоположном фототоку. Это называется фотоэлектрическим эффектом и является основой солнечных элементов. Таким образом, можно построить солнечный элемент, используя большое количество отдельных фотодиодов.Также, когда в солнечном элементе используются фотодиоды, диоды делают больше, чтобы иметь большую активную площадь, и они могут выдерживать более высокие токи. Для тех, которые используются для приложений передачи данных, скорость обычно очень важна, а диодные переходы меньше, чтобы уменьшить влияние емкости.

Когда фотодиод не подвергается воздействию света, он следует нормальной ВАХ, ожидаемой от диода. В обратном направлении ток практически не течет, но в прямом направлении он неуклонно увеличивается, особенно после достижения напряжения колена или включения.Это изменяется при наличии света. При использовании в качестве фотодиода видно, что наибольший эффект наблюдается в обратном направлении. Здесь заметны самые большие изменения, и нормальный прямой ток не маскирует эффекты, связанные со светом.

Срабатывание лавинного диода

Свет попадает в нелегированную область лавинного фотодиода и вызывает образование пар дырка-электрон. Под действием электрического поля электроны мигрируют в область лавины.Здесь электрическое поле заставляет их скорость увеличиваться до такой степени, что столкновения с кристаллической решеткой создают дополнительные пары дырочных электронов. В свою очередь, эти электроны могут сталкиваться с кристаллической решеткой, создавая еще больше дырочных электронных пар. Таким образом, один электрон, созданный светом в нелегированной области, может привести к созданию гораздо большего числа.

Лавинный фотодиод имеет ряд отличий от обычного PIN-диода. Лавинный процесс означает, что один электрон, созданный светом в нелегированной области, умножается в несколько раз за счет лавинообразного процесса.В результате лавинный фотодиод намного более чувствителен. Однако обнаружено, что это не так линейно, и, кроме того, лавинный процесс означает, что результирующий сигнал намного более шумный, чем сигнал от p-i-n-диода.

Структура лавинного ПИН-фотодиода

Структура лавинного диода также более сложна. Защитное кольцо n-типа требуется вокруг p-n-перехода, чтобы минимизировать электрическое поле по краю перехода. Также обнаружено, что коэффициент усиления по току зависит не только от приложенного смещения, но и от тепловых флуктуаций.В результате необходимо обеспечить размещение устройств на подходящем радиаторе.

Различные типы фотодиодов имеют несколько разные режимы работы, но все основаны на одном и том же основном принципе работы. Поскольку разные типы имеют разные характеристики, можно выбрать правильный тип, который наилучшим образом соответствует потребностям рассматриваемой цепи.

Другие электронные компоненты:
Резисторы Конденсаторы Индукторы Кристаллы кварца Диоды Транзистор Фототранзистор FET Типы памяти Тиристор Разъемы Разъемы RF Клапаны / трубки Аккумуляторы Переключатели Реле
Вернуться в меню «Компоненты».. .

Введение в фотодиод — инженерные знания

Здравствуйте, ребята, надеюсь, у вас все хорошо. В сегодняшнем руководстве мы рассмотрим Introduction to Photodiode. Фотодиод — это электронный прибор, который преобразует свет в ток. Производство тока происходит из-за поглощения фотона света. Эти диоды содержат оптический фильтр для передачи света с другой длиной волны, линзы и площадь поверхности в соответствии с требованиями.С увеличением площади поверхности время их отклика уменьшается. Когда они работают в солнечных элементах, их площадь поверхности велика.

Эти диоды похожи на обычные диоды с той разницей, что эти диоды имеют открытую поверхность для обнаружения ультрафиолетового света или рентгеновских лучей и имеют такую ​​упаковку, которая имеет окно для передачи света на чувствительную часть диода. В сегодняшнем посте мы подробно рассмотрим его работу, приложения, конструкцию и некоторые другие связанные параметры.Итак, давайте начнем с Introduction to Photodiode.

Знакомство с фотодиодом
  • Фотодиод также называется фотодетектором, фотодатчиком или детектором света, использующим свет для выработки тока.
  • Эти диоды работают в режиме обратного смещения при обратном смещении. Анод диода соединен с отрицательной клеммой, а катод диода — с положительной клеммой батареи.
  • На рисунке ниже схема, обозначенная (a) , объясняет состояние обратного смещения фотодиода.В схемах Iλ — это ток, генерируемый через этот диод.
  • На диоде есть окно, через которое свет попадает в диод и сталкивается с PN переходом из-за генерируемого тока.
  • Символы диода также показаны на рисунке.

  • Как мы знаем, в диоде с обратным смещением протекает очень меньшее количество тока, то же самое и для фотодиода.
  • Этот обратный ток протекает из-за движения неосновных носителей заряда через область истощения.
  • Для диода, используемого в схемах выпрямителя, обратный ток увеличивается с увеличением температуры.
  • Из-за увеличения температуры количество пар электронов и дырок увеличивается из-за увеличения тока.
  • Но поведение фотодиода отличается от поведения обычного диода в том, что, когда PN переход фотодиода получает лучи света, значение обратного тока увеличивается с увеличением интенсивности света.
  • Когда свет, падающий на фотодиод, равен нулю, тогда обратный ток почти равен нулю, который известен как темновой ток .
  • Прирост интенсивности света известен как энергетическая освещенность и измеряется в (мВт / см 2 ) из-за обратного тока освещенности, который также увеличивается, как показано на рисунке ниже.

  • На графике ниже видно, что обратный ток составляет 1,4 мкА для напряжения с обратным смещением в десять вольт и значения энергетической освещенности 0,5 мВт / см 2 .

  • Будет указано значение сопротивления.

R R = V R / Iλ =

= 10 В / 1.4 мкА = 7,14 МОм

  • При 20 мВт / см 2 ток почти 55 мА при VR = 10 вольт. Значение сопротивления для этого состояния будет указано как.

R R = V R / Iλ =

= 10 В / 55 мкА = 182 кОм

  • Из приведенных выше измерений можно сделать вывод, что фотодиод также может использоваться как переменный резистор с регулируемым сквозным сопротивлением. интенсивность света.
  • На рисунке ниже показано, что обратный ток отсутствует, когда не горит диод.
  • Когда свет падает на диод, обратный ток течет прямо пропорционально интенсивности света.

Конструкция фотодиода
  • На рисунке ниже вы можете увидеть внутреннюю структуру фотодиода.

  • Видно, что PN переход фотодиода собран в стекле. Стекло обеспечивает путь для попадания внешнего света на PN-переход.
  • Прозрачна только та часть стекла PN, что свет падает на стык, другая покрыта краской.
Работа фотодиода
  • Работа фотодиода очень проста, поскольку свет падает на электроны диода в N-области, перемещаются в P-область диода и объединяются с дырками, существующими в P-области, и создают пары электронов. и дырки.
  • Этот процесс также называется внутренним фотоэлектрическим эффектом.
  • Когда свет падает на обедненную область или около обедненной области, он минимизирует эффект электрического поля, существующего в обедненной области, и дырки объединяются с электронами и генерируемым фототоком.
  • Чистый ток, производимый фотодиодом, равен сумме темнового тока, тока, возникающего при отсутствии света и фототока.
  • Из-за этого темновой ток должен быть уменьшен для увеличения чувствительности фотодиода.

Режим работы фотодиода
  • Обычно в списке есть три режима работы фотодиода. Давайте обсудим их подробно.
    • Фотоэлектрический режим
    • Фотоэлектрический режим
    • Режим лавинного диода

Фотоэлектрический режим

  • Этот режим работы известен как режим нулевого смещения.В таком приложении, где используется меньшая частота и используется УФ-свет, этот режим работы является предпочтительным.
  • Когда фотодиод подвергается воздействию вспышки света, генерируется напряжение.
  • Генерируемое напряжение имеет очень меньшее значение и характеристика не является линейной.
  • Если фотодиод установлен с операционным усилителем в этом режиме, изменение температуры в меньшей степени влияет на этот режим работы.

Режим фотопроводимости

  • В этом режиме диод работает в режиме обратного смещения.Катод диода соединен с положительной клеммой батареи, а анод — с отрицательной клеммой батареи.
  • При увеличении в состоянии обратного смещения площадь обедненной области увеличивается. Это уменьшает время отклика и емкость перехода.
  • Обычно этот режим фотодиода является чувствительным и генерирует электронный шум.

Режим лавинного диода

  • Этот режим фотодиода имеет большие условия обратного смещения.Это позволяет увеличить лавинный пробой каждой фотогенерируемой электронно-дырочной паре.
  • С этого момента это генерирует внутреннее усиление фотодиода. Внутреннее усиление увеличивает отклик фотодиода.
Характеристики фотодиода
  • Это некоторые особенности фотодиодов.

Чувствительность

  • Спектральная чувствительность рассчитывается как отношение тока, производимого через фотодиод, к свету, падающему на диод, и его единицей является А / Вт.
  • Зависимость от длины волны может быть определена с точки зрения квантовой эффективности.

Темновой ток

  • Ток, генерируемый фотодиодом без света, называется темновым током, и это происходит в режиме фотопроводимости.
  • Темновой ток состоит из фототока, создаваемого фоновым излучением, и тока насыщения, создаваемого полупроводниковым переходом.
  • Если для правильного расчета оптической мощности используется фотодиод, то для калибровки следует использовать темновой ток.
  • Источником шума для приложений оптической связи является темновой ток.

Время отклика

  • Время отклика диода на падающий свет называется временем отклика.
  • Из-за поглощения фотонов света пара электронов-дырок будет создана из-за генерируемого тока.
  • Ограниченный период этого тока идентифицируется как разброс времени прохождения и может быть оценен с помощью теоремы Ремо.
Характеристики фотодиода
  • На рисунке ниже вы можете увидеть характеристическую кривую VI фотодиода.
  • На этом графике обозначен обратный ток, протекающий в диоде по вертикальной оси, и напряжение обратного смещения по оси X.

  • Первая кривая на графике определяет темновой ток, создаваемый неосновными носителями заряда без света.
  • Все остальные кривые на графике имеют одинаковое расстояние между ними из-за постоянного приращения тока с приращением светового потока.
Типы фотодиодов
  • Принцип работы всех типов фотодиодов схож, но разница заключается в их использовании.
  • Например, фотодиод с PIN-кодом используется для увеличения времени отклика.
  • Здесь перечислены многочисленные типы фотодиодов.
    • Лавинный диод
    • PIN Фотодиод
    • PN Junction Photodiode
  • Давайте обсудим их подробнее.
PN Junction Photodiode
  • Первым созданным фотодиодом стал фотодиод с PN переходом.До создания других диодов, таких как фотодиод с PIN-кодом, в основном использовался диод с PN-переходом.
  • Фотодиод с PN переходом также известен как фотодиод. Но в настоящее время эти диоды используются в ограниченном количестве.
  • Когда свет подается на фотодиод с PN-переходом от этих валентных электронов напряжения, существующих в обедненной области, получает энергию.
  • Если энергия света, падающего на фотодиод, больше, чем ширина запрещенной зоны полупроводникового материала, используемого для диода, валентные электроны получают энергию и покидают атом, с которым он связан.
  • Благодаря этим электронам начинает течь ток. Когда электрон покинул атом, на этом месте образовалась дыра.
  • Итак, пары электронов и дырок, создавшие этот процесс, известны как внутренний фотоэлектрический эффект.
  • На неосновные носители, существующие в обедненной области, действуют две силы, первая из-за электрического поля обедненной области, а вторая из-за внешнего электрического поля.
  • Например, положительные ионы, существующие в конце P-области и N-области, применяют силу отталкивания и притяжения к электронам обедненной области.
  • За счет этого свободные электроны попадают в N-часть. После входа в зону N электроны притягиваются к положительной клемме батареи. Отверстия движутся в обратном направлении.
  • Если на фотодиод с обратным смещением не падает свет, то из-за внешнего напряжения будет протекать меньшее значение тока.
  • Этот очень слабый ток без света известен как темновой ток и обозначается как I λ.

Связанные сообщения

Итак, друзья, это полный пост о фотодиоде, я написал каждый параметр, связанный с фотодиодом.Если у вас есть вопросы, задавайте их в комментариях. Увидимся в следующем посте, хорошего дня.

Автор: Генри
http://www.theengineeringknowledge.com

Я профессиональный инженер и закончил известный инженерный университет, а также имею опыт работы инженером в различных известных отраслях. Я также пишу технический контент, мое хобби — изучать новые вещи и делиться ими с миром. Через эту платформу я также делюсь своими профессиональными и техническими знаниями со студентами инженерных специальностей.

Сообщение навигации

RP Photonics Encyclopedia — фотодиоды, фотодетекторы, p-i-n, InGaAs, кремний, германий, PIN, полоса пропускания, линейность, усилитель тока

Энциклопедия> буква P> фотодиоды

можно найти в Руководстве покупателя RP Photonics. Среди них:

Найдите более подробную информацию о поставщиках в конце этой статьи энциклопедии или посетите наш

Вас еще нет в списке? Получите свою заявку!

Определение: полупроводниковые приборы с p – n или p – i – n структурой для обнаружения света

Более общий термин: фотодетекторы

Более конкретные термины: лавинные фотодиоды, фотодиоды режима Гейгера, фотодиоды с боковым эффектом, квадрантные фотодиоды, p – i – n фотодиоды, кремниевые фотодиоды, германиевые фотодиоды, фотодиоды InGaAs

Немецкий: фотодиод

Категории: фотонные устройства, обнаружение и определение характеристик света, оптоэлектроника, оптическая метрология

Как цитировать статью; предложить дополнительную литературу

Автор: Dr.Rüdiger Paschotta

Фотодиоды — это часто используемые фотоприемники, которые в значительной степени заменили ранее использовавшиеся фотолаборы. Это полупроводниковые устройства, которые содержат p – n-переход и часто собственный (нелегированный) слой между n- и p-слоями. Устройства с внутренним слоем называются фотодиодами p – i – n или PIN . Свет, поглощаемый в обедненной области или в собственной области, генерирует электронно-дырочные пары, большая часть которых вносит вклад в фототок. Фототок может быть довольно точно пропорционален интенсивности поглощенного (или падающего) света в широком диапазоне оптических сил.

Рисунок 1: Схематический рисунок p – i – n фотодиода. Зеленый слой — это антибликовое покрытие.

На рис. 1 схематически показана типовая конструкция фотодиода p – i – n типа. Здесь есть внутренняя область между n-легированной и p-легированной областью, где генерируется большая часть электрических носителей. Через электрические контакты (анод и катод) можно получить генерируемый фототок. Анод может иметь форму кольца, так что свет может проходить через отверстие.Большая активная область может быть получена с помощью соответствующего большого кольца, но это имеет тенденцию к увеличению емкости, тем самым уменьшая полосу обнаружения и увеличивая темновой ток; Кроме того, эффективность может упасть, если носители генерируются слишком далеко от электродов.

Для обеспечения высокой чувствительности необходимо иметь материал с сильным поглощением для рассматриваемой длины волны оптического излучения. При использовании более толстого слоя для эффективного поглощения можно потерять много генерируемых носителей.

Некоторые фотодиоды выпускаются в виде матриц фотодиодов, в основном одномерных.

Для значительного увеличения чувствительности можно использовать либо лавинные фотодиоды (см. Ниже), либо фототранзисторы.

Режимы работы фотодиодов

Фотодиоды

могут работать в двух очень разных режимах:

  • Фотоэлектрический режим : как солнечный элемент, освещенный фотодиод генерирует напряжение, которое можно измерить.Однако зависимость этого напряжения от мощности света нелинейна, а динамический диапазон довольно мал. Также не достигается максимальная скорость.
Рисунок 2: Простая электронная схема фотоприемника на основе фотодиода.
  • Режим фотопроводимости : здесь обратное напряжение прикладывается к диоду (то есть напряжение в том направлении, где диод не проводит ток без падающего света) и измеряется результирующий фототок. Самое простое решение для этого режима с обратным смещением основано на источнике напряжения и нагрузочном резисторе, как показано на рисунке 2.Зависимость фототока от мощности света может быть очень линейной в пределах шести и более порядков величины мощности света, например в диапазоне от нескольких нановатт до десятков милливатт для кремниевого p – i – n-фотодиода с активной площадью несколько миллиметров 2 . Величина обратного напряжения почти не влияет на фототок и лишь слабо влияет на (обычно небольшой) темновой ток (полученный без света), но более высокое напряжение имеет тенденцию ускорять реакцию, а также увеличивает нагрев устройства. .
Рисунок 3: Вольт-амперные характеристики фотодиода для различных оптических мощностей. В фотоэлектрическом режиме (см. Линию для нагрузочного резистора 1 кОм) реакция нелинейна. В режиме фотопроводимости, показанном здесь для простой схемы с обратным смещением, приложенным через нагрузочный резистор, достигается очень линейный отклик. То же самое верно и для постоянного обратного смещения (не показано).

Даже при использовании в режиме фотопроводимости фотодиоды обычно не считаются фотопроводящими детекторами.

Простые фотодиодные схемы приводят к полосе обнаружения, ограниченной RC, что требует компромисса между полосой пропускания и чувствительностью.

В простой схеме, показанной на рисунке 2, величина напряжения смещения падает с увеличением фототока из-за падения напряжения на нагрузочном резисторе. Хотя это мало влияет на линейность, это приводит к зарядке или разрядке емкости фотодиода при изменении интенсивности падающего света, так что полоса обнаружения часто становится ограниченной по RC.Это вводит компромисс между полосой обнаружения и чувствительностью: для высокой полосы пропускания требуется небольшой нагрузочный резистор, что приводит к низкой чувствительности, а также к более высокой эквивалентной мощности шума, которая часто ограничивается тепловым шумом (шумом Джонсона) нагрузки. резистор.

Чтобы избежать этого компромисса, часто используют усилитель тока (также называемый трансимпедансным усилителем ). Такой усилитель, который обычно реализуется с операционным усилителем (операционным усилителем), поддерживает напряжение на диоде почти постоянным (например,грамм. около нуля или при некотором, возможно, регулируемом обратном смещении), так что емкость фотодиода теряет большую часть своей актуальности. Изменения остаточного напряжения на фотодиоде обратно пропорциональны коэффициенту усиления используемого операционного усилителя. Тем не менее, рекомендуется минимизировать входную емкость и требовать максимальной полосы пропускания; например, лучше напрямую подключить фотодиод к усилителю тока, а не использовать длинное кабельное соединение.

Усилители тока

, которые также доступны как OEM-устройства, также могут иметь очень хорошие шумовые характеристики.Соответствующий показатель — это эквивалентный шуму входной ток, который может быть значительно ниже 1 пА / Гц 1/2 .

Имеющиеся в продаже лабораторные усилители тока помогают сделать измерения мощности очень гибкими, обеспечивая множество различных настроек чувствительности и, следовательно, огромный динамический диапазон с низким уровнем шума, а также, возможно, встроенный дисплей, регулируемое напряжение смещения и смещение сигнала, регулируемые фильтры пр.

Полупроводниковые материалы

Типичные материалы фотодиодов:

    Кремний
  • (Si): низкий темновой ток, высокая скорость, хорошая чувствительность в диапазоне примерно от 400 до 1000 нм (лучше всего в диапазоне 800–900 нм)
  • германий (Ge): высокий темновой ток, низкая скорость из-за большой паразитной емкости, хорошая чувствительность в диапазоне примерно от 900 до 1600 нм (лучше всего в районе 1400–1500 нм)
  • фосфид арсенида галлия индия (InGaAsP): дорогой, низкий темновой ток, высокая скорость, хорошая чувствительность примерно между 1000 и 1350 нм (лучше всего около 1100–1300 нм)
  • арсенид индия-галлия (InGaAs): дорогой, низкий темновой ток, высокая скорость, хорошая чувствительность примерно между 900 и 1700 нм (лучше всего около 1300–1600 нм)

Указанные диапазоны длин волн иногда могут быть значительно превышены моделями с расширенным спектральным откликом.

Ключевые свойства

Наиболее важные свойства фотодиодов:

  • чувствительность, т. Е. Фототок, деленный на оптическую мощность, связанный с квантовой эффективностью, в зависимости от длины волны
  • активная область, т.е. светочувствительная область
  • максимально допустимый фототок (обычно ограничивается насыщением)
  • напряжение пробоя, установка предела полезного напряжения смещения
  • темновой ток (в режиме фотопроводимости, важен для обнаружения низкого уровня освещенности)
  • скорость, т.е.е. полоса пропускания, связанная с временем нарастания и спада, часто зависит от емкости

Могут быть интересны дополнительные количества:

  • Обычно довольно высокое сопротивление шунта способствует небольшому току при приложении напряжения смещения. Он также вносит некоторый ток теплового шума, который в некоторых случаях ограничивает чувствительность.
  • Часто небольшое последовательное сопротивление вызывает дополнительное падение напряжения, пропорциональное фототоку, а также может вносить некоторый вклад в шум обнаружения.

Скорость (полоса пропускания) фотодиода обычно ограничивается либо электрическими параметрами (емкость и внешний резистор), либо внутренними эффектами, такими как время прохождения несущей в области истощения. (В некоторых случаях относительно медленная диффузия носителей, генерируемых за пределами обедненной области, ограничивает полосу пропускания.) Наивысшая полоса пропускания в несколько десятков гигагерц обычно достигается с небольшими активными областями (диаметры значительно меньше 1 мм) и небольшими объемами поглощения. Такие небольшие активные области по-прежнему практичны, особенно для устройств с волоконной связью, но они ограничивают достижимые фототоки до порядка 1 мА или менее, что соответствует оптической мощности ≈ 2 мВт или менее.Более высокие фототоки действительно желательны для подавления дробового и теплового шума. (Более высокие фототоки увеличивают дробовой шум в абсолютном выражении, но уменьшают его по отношению к сигналу.) Большие активные области (с диаметром до 1 см) позволяют обрабатывать большие пучки и гораздо более высокие фототоки, но за счет более низкой скорости.

Сочетание высокой полосы пропускания (десятки гигагерц) и высоких фототоков (десятки миллиампер) достигается в фотодетекторах с согласованием по скорости, содержащих несколько фотодетекторов малой площади, которые слабо связаны с оптическим волноводом и доставляют свои фототоки в общую радиочастоту. волноводная структура.

Квантовая эффективность фотодиода — это доля падающих (или поглощенных) фотонов, которые вносят вклад в фототок. Для фотодиодов без лавинного эффекта он напрямую связан с чувствительностью S : фототок

с квантовой эффективностью η, зарядом электрона e и энергией фотона . Квантовая эффективность фотодиода может быть очень высокой — в некоторых случаях более 95% — но значительно зависит от длины волны.Помимо высокой внутренней эффективности, высокая квантовая эффективность требует подавления отражений, например с антибликовым покрытием.

В некоторых случаях необходимо соблюдать дополнительные свойства фотодиодов, такие как линейность отклика в широком динамическом диапазоне, пространственная однородность отклика или форма динамического отклика (например, оптимизированная для временной или частотной области), или шумовые характеристики.

Шумовые характеристики фотодиодов могут быть очень хорошими.При высоких фототоках его можно ограничить дробовым шумом, хотя тепловой шум в электронике часто бывает сильнее. Для обнаружения очень низких уровней освещенности (например, для счета фотонов) темновой ток также может играть роль.

Более высокая чувствительность (хотя иногда и за счет более низкой квантовой эффективности) может быть достигнута с помощью лавинных фотодиодов. Они работают с относительно высоким напряжением обратного смещения, так что могут генерироваться вторичные электроны (как в фотоумножителях).Лавинный процесс увеличивает чувствительность, так что влияние шума последующих электронных усилителей сводится к минимуму, тогда как квантовый шум становится более важным, а также вносится шум умножения.

Фотодиод иногда встраивают в корпус лазерного диода. Он может обнаруживать свет, проходящий через заднюю грань с высокой отражающей способностью, мощность которого пропорциональна выходной мощности. Полученный сигнал можно использовать, например, для стабилизации выходной мощности или для обнаружения ухудшения характеристик устройства.

Электроника, используемая в фотодетекторе на основе фотодиодов, может сильно влиять на производительность с точки зрения скорости, линейности и шума. Как упоминалось выше, усилители тока (трансимпедансные усилители) часто являются хорошим выбором.

Быстрые фотодиоды

Для обеспечения особенно высокой полосы пропускания в диапазоне гигагерц используются современные фотодиоды. Например, некоторые устройства содержат оптический резонатор вокруг тонкой поглощающей секции. Таким образом, можно достичь эффективного поглощения и, следовательно, высокой квантовой эффективности, несмотря на довольно небольшую толщину собственной области, которая выбрана для уменьшения времени дрейфа.

Так называемые волноводные фотодиоды содержат оптический волновод, который направляет свет вдоль области поглощения. Эта поглощающая область может снова быть очень тонкой, и, тем не менее, можно получить эффективное поглощение на небольшой длине. За счет минимизации длины активной области можно также минимизировать электрическую емкость и достичь очень высокой полосы пропускания.

В некоторых случаях структура электрода выполнена так, что она образует электрический волновод, в котором электрическая волна может распространяться параллельно с оптической волной в оптическом волноводе.Такие фотодиоды бегущей волны могут иметь полосу пропускания значительно выше 100 ГГц.

Некоторые полупроводниковые материалы лучше других подходят для изготовления быстрых фотодиодов. Например, арсенид индия-галлия (InGaAs) особенно подходит, потому что этот материал с прямой запрещенной зоной (например, в отличие от кремния) имеет довольно короткую длину поглощения, что позволяет создавать очень тонкие поглощающие слои, в которых могут быть фотоносители. быстро собрал. Для быстрых лавинных фотодиодов также важно иметь низкое соотношение коэффициентов ударной ионизации дырок и электронов.

Многосегментные фотодиоды и фотодиодные матрицы

Фотодиоды выпускаются не только односегментными детекторами. Существуют двух- и квадрантные фотодиоды, которые можно использовать для точного зондирования, а также одномерные и двумерные матрицы фотодиодов. Подробнее читайте в статье о позиционно-чувствительных детекторах.

Вопросы и комментарии пользователей

Здесь вы можете оставлять вопросы и комментарии. Если они будут приняты автором, они появятся над этим абзацем вместе с ответом автора.Автор принимает решение о приеме на основании определенных критериев. По сути, вопрос должен представлять достаточно широкий интерес.

Пожалуйста, не вводите здесь личные данные; в противном случае мы бы скоро удалили его. (См. Также нашу декларацию о конфиденциальности.) Если вы хотите получить личный отзыв или консультацию от автора, пожалуйста, свяжитесь с ним, например по электронной почте.

Отправляя информацию, вы даете свое согласие на возможную публикацию ваших материалов на нашем веб-сайте в соответствии с нашими правилами.(Если позже вы откажетесь от своего согласия, мы удалим эти данные.) Поскольку ваши материалы сначала рассматриваются автором, они могут быть опубликованы с некоторой задержкой.

См. Также: p – i – n фотодиоды, матрицы фотодиодов, позиционно-чувствительные детекторы, фотодетекторы, фототранзисторы, согласованные по скорости фотодетекторы, лавинные фотодиоды, фотодетекторы металл – полупроводник – металл, фотолаборы, дробовой шум, полоса пропускания, The Photonics Spotlight 2006- 10-16
и другие статьи в категориях фотонные устройства, обнаружение и определение характеристик света, оптоэлектроника, оптическая метрология


Если вам нравится эта страница, поделитесь ссылкой со своими друзьями и коллегами, e.грамм. через соцсети:

Эти кнопки общего доступа реализованы с учетом конфиденциальности!

Код для ссылок на других сайтах

Если вы хотите разместить ссылку на эту статью на каком-либо другом ресурсе (например, на своем веб-сайте, в социальных сетях, дискуссионном форуме, Википедии), вы можете получить здесь необходимый код.

HTML-ссылка на эту статью:

   
Статья о фотодиодах

в
Энциклопедия RP Photonics

С изображением предварительного просмотра (см. Рамку чуть выше):

   
alt = "article">

Для Википедии, например в разделе «== Внешние ссылки ==»:

  * [https://www.rp-photonics.com/photodiodes.html 
, статья «Фотодиоды» в энциклопедии RP Photonics]

Терминология по фотодиоду | Оптоэлектронные компоненты | Светодиоды, Лазерные Диоды и Детекторы

Напряжение пробоя: Напряжение пробоя (В BR ) — это максимальное обратное смещение, которое может быть приложено, за пределами которого диод легко проводит ток.Превышение напряжения пробоя без токоограничивающей защиты может привести к серьезной деградации устройства.

Темновой ток: Обычно сокращенно I D . Ток, протекающий через фотодиод с обратным смещением, когда свет не падает на фотодиод. Более высокие напряжения обратного смещения приводят к более высоким темновым токам. Темновой ток может быть минимизирован за счет правильной конструкции устройства и отсутствует в цепях смещения нулевого фотодиода (см. Сопротивление шунта).

Обнаруживающая способность: Обнаруживающая способность (D *) — это мера отношения сигнал-шум детектора (SNR), нормализованная для активной области детектора:

D * = A ½ / NEP, где A — активная область, а NEP — эквивалентная мощность шума.

Значения обнаружительной способности от 10 12 до 10 14 смГц ½ / Вт можно ожидать для кремниевых фотодиодов.

Частотная характеристика: Частотная характеристика фотодиода считается точкой, в которой фототок уменьшился на 3 дБ (0,7) низкочастотной характеристики. Максимальную частотную характеристику можно рассчитать по формуле:

f max = 0,35 / t r , где t r , время нарастания.

Full-Width-Half-Max: Обычно сокращенно FWHM. Чаще всего используется при обсуждении угла луча или спектральной ширины полосы. В обоих случаях это относится к расстоянию от 50% до 50% точки или от –3 дБ до –3 дБ. Значение угла луча указывается в градусах, а значения спектральной ширины полосы — в нанометрах.

Емкость перехода: p-n переход имеет емкость (C J ), аналогичную емкости конденсатора с параллельными пластинами — две высокопроводящие полупроводниковые области, разделенные резистивным обедняющим слоем.Емкость перехода прямо пропорциональна активной области. В случае фотодиодов емкость перехода можно уменьшить за счет обратного смещения. Емкость перехода в сочетании с собственным последовательным сопротивлением диода не является ограничивающим фактором для времени отклика устройства (см. Время отклика). Его можно минимизировать конструкцией устройства.

Шумовой ток: Шумовой ток фотодиода (I * N ) состоит из двух основных компонентов: дробового шума и теплового шума (Джонсона).Дробовой шум рассчитывается по формуле:

.

I * S = (2qI DR B) ½

, где I * S — ток дробового шума в амперах (среднеквадратичное значение), q — заряд электрона (1,6×10 -19 кулонов), I D — темновой ток в амперах, а B — рабочая полоса пропускания в Гц. Без обратного смещения темновой ток и дробовой шум равны нулю.

Стандартное уравнение теплового шума показывает, что высокое сопротивление шунта (R SH ) обеспечивает низкий уровень шума:

I T = (4kTB / R SH ) ½

, где I T — ток теплового шума в Амперах (среднеквадратичное значение), k — постоянная Больцмана (1.38×10 -23 Дж / ° K), T — температура в ° K, R SH — сопротивление шунта в Ом, а B — рабочая полоса пропускания в Гц.

Полный ток шума представляет собой квадратурную сумму теплового и дробового шума. Типичные значения шумового тока находятся в диапазоне от 10 -12 A среднеквадратического значения / (Гц) ½ для устройств большой площади, рассчитанных на высокий выходной ток, до 10 -15 A среднеквадратичного значения / (Гц) ½ для устройства меньшего размера, оптимизированные для низкого уровня шума.

Эквивалентная мощность шума: Эквивалентная мощность шума (NEP) — это мощность падающего света, для которой отношение сигнал / шум (SNR) равно единице, и, следовательно, является мерой минимальной обнаруживаемой мощности света.

NEP = I * N / R

, где R — чувствительность, а I * N — ток шума. Значения NEP фотодиода варьируются от примерно 10 -15 Вт (среднекв.) / (Гц) ½ для малошумящих кремниевых фотодиодов с низким уровнем шума до более 10 -12 Вт (среднеквадратичное значение) / (Гц) ½ для очень больших ячеек.Обычно предполагается, что NEP зависит исключительно от дробового шума и теплового шума Джонсона.

Напряжение холостого хода: Напряжение холостого хода (В OC ) — это напряжение, генерируемое фотодиодом на очень большом нагрузочном резисторе, когда диод светится. V OC обычно представляет интерес, когда желательно, чтобы падение напряжения (V L ) на резисторе было пропорционально уровню освещенности. V L линейно зависит от уровня освещенности, пока V L намного меньше, чем V OC .Использование нагрузочного резистора не рекомендуется, поскольку он более медленный, шумный и менее линейный, чем работа при токе короткого замыкания.

Комбинация операционного усилителя / фотодиода Линейность: Операционный усилитель, когда он используется в качестве преобразователя тока в напряжение, обеспечивает уникальное решение ограничений линейности, налагаемых на фотодиоды импедансом оконечной нагрузки. В этой трансимпедансной конфигурации фотодиод отображает импеданс нагрузки как Z a , как показано в следующем уравнении:

Z a = R f / (A [1+ (ωR f C f ) 2 ] ½ )

, где A — светочувствительная активная область, ω — рабочая частота, R f — сопротивление обратной связи и C f — емкость обратной связи.

Это уравнение показывает, что на низких частотах кажущееся полное сопротивление нагрузки фотодиода очень низкое, но увеличивается с увеличением частоты. При наличии коэффициентов усиления усилителя с разомкнутым контуром, превышающих 10 5 при постоянном токе, очевидно, что усиление сигнала фотодиода может быть достигнуто в разумном диапазоне частот без потери линейности отклика. Хорошее приближение линейности отклика фотодиода / операционного усилителя может быть определено заменой Z на на R L в уравнениях линейности как для фотоэлектрического, так и для фотопроводящего режима.

Важно помнить, что операционные усилители не имеют того же динамического диапазона, что и кремниевые фотодиоды, и что диапазон линейности может быть ограничен усилителем. Если усилитель имеет среднеквадратичное значение напряжения шума на выходе 1 мВ и максимальное выходное напряжение 13 В (питание +15 В), то это максимальный диапазон чуть более четырех декад. Если напряжение выходного сигнала ограничено 100 мВ (100: 1 S / N) на нижнем уровне и 10 В на верхнем уровне, это всего лишь две декады линейного напряжения выходного сигнала.Это линейное ограничение диапазона делает правильный выбор номинала резистора обратной связи важным соображением при проектировании.

Трансимпеданс операционного усилителя: При использовании вместе с кремниевым фотодиодом операционный усилитель используется в режиме трансимпеданса в качестве преобразователя тока в напряжение. В этом режиме фототок или темновой ток преобразуется в напряжение за счет импеданса в контуре обратной связи. При работе на постоянном токе напряжение выходного сигнала пропорционально величине резистора обратной связи и может быть рассчитано по формуле:

E выход = I дюйм R f

, где I в — ток фотодиода, а R f — сопротивление обратной связи.В этой формуле не учитываются напряжения смещения.

Оптическое поглощение: Оптическое поглощение и связанная с ним глубина поглощения — это свойства полупроводникового материала, из которого изготовлен фотодиод. Их значение указывает толщину кремния, необходимую для поглощения и, следовательно, обнаружения падающего света с заданной длиной волны.

Фотопроводящий детектор: Когда фотодиод используется с обратным смещением, говорят, что он используется в фотопроводящем режиме.Эта терминология, вероятно, возникла, когда фотодиод впервые был использован вместо настоящих фотопроводящих детекторов, таких как детекторы сульфида кадмия. Этот термин на самом деле неправильный, поскольку фотодиод является источником тока со смещением или без него. Использование обратного смещения улучшает линейность детектора, скорость отклика и емкость. Это увеличивает уровень шума самого диода по сравнению с нулевым смещением, но может снизить уровень шума системы из-за более низкой входной емкости электроники.

Фотодиод: Общее название любого диода, используемого в качестве светового датчика. Устройство не имеет внутреннего усиления, как фотодиод или фотодарлингтон. Непосредственно преобразует фотоны (свет) в электроны (ток). Он линейен по крайней мере в течение 6 декад светового потока. Средняя точка насыщения 10 мВт / см 2 . Широко используется там, где необходимо точно измерить свет или требуется более высокая скорость (более 30 кГц). Измеряется в амперах на ватт (А / Вт).

Фотометрический отклик: Фотометрический отклик, измеряемый в амперах на люмен, представляет собой чувствительность фотодиода, измененную в зависимости от спектрального отклика глаза.Поскольку наиболее распространенные источники света излучают больше энергии за пределами видимого спектра, чем внутри него, и поскольку кремниевые фотодиоды более чувствительны при более длинных волнах, чем в видимом свете, этот параметр не подходит для большинства приложений. См. Ток короткого замыкания и чувствительность.

Фотоэлектрический детектор: Когда фотодиод используется без обратного смещения, говорят, что он используется в фотоэлектрическом режиме. Эта терминология, вероятно, возникла, когда фотодиод впервые был использован вместо настоящих фотоэлектрических детекторов, таких как тонкие слои серебра, нанесенные на некристаллический кремний.Этот термин на самом деле неправильный, поскольку кремниевый фотодиод является источником тока без обратного смещения. Фотоэлектрический режим является наиболее распространенным методом использования, поскольку отсутствует темновой ток для компенсации тока сигнала, а уровень шума и скорость реакции обычно более чем достаточны. Обратите внимание, что небольшие смещения входного напряжения электроники, к которой подключен детектор, будут производить небольшие токи смещения.

Квантовая эффективность: Внешняя квантовая эффективность (EQE) — это процент падающей мощности, в результате которой возникает электрический ток, который течет при подключении внешней нагрузки к фотодиоду.Квантовая эффективность может быть рассчитана по формуле:

EQE = 1,24R / λ

, где EQE — процент внешней квантовой эффективности, R — чувствительность фотодиода, измеренная в амперах / ватт, а λ — длина волны в микронах.

Типичные значения квантовой эффективности находятся в диапазоне от 50% до 95%, в зависимости от длины волны падающего света и типа фотодиода. EQE меньше единицы из-за потерь на отражение на всех длинах волн, механизмов поверхностных потерь на длинах волн ближнего УФ и плохого поглощения фотонов в диапазоне длин волн ближнего ИК.

Интенсивность излучения: Измерение интенсивности излучения по оси. Это значение необходимо знать для расчета оптической мощности, падающей на детектор, который находится на расстоянии более 15 см от светодиода. Угол измерения является важным компонентом при сравнении таблиц данных от одного поставщика к другому.

Линейность отклика: Отклик кремниевого фотодиода обычно линейен с точностью до нескольких десятых процента от минимально обнаруживаемой падающей мощности до нескольких милливатт на квадратный сантиметр.Линейность отклика улучшается с увеличением приложенного обратного смещения и уменьшением эффективного сопротивления нагрузки.

Равномерность отклика: Равномерность отклика зависит от качества оконной крышки и передней и задней поверхностей фотодиода. В приложениях, где рабочая длина волны меньше примерно 800 нм, качество передней поверхности диода является наиболее важным. Равномерность отклика обратно пропорциональна освещенной области, поэтому состояние поверхности имеет решающее значение в ситуациях, когда используется небольшое световое пятно.Задняя поверхность является отражающей, и ее однородность является ключевым фактором в длинноволновых приложениях.

На длинах волн, превышающих приблизительно 800 нм, качество задней поверхности фотодиода преобладает. Фотоны начинают проникать в кремний достаточно глубоко, чтобы достичь тыльной поверхности.

Чувствительность (радиометрическая чувствительность): Чувствительность фотодиода (R) — это отношение фототока, генерируемого на каждый ватт мощности падающего света, в единицах ампер / ватт (А / Вт или мА / мВт).Чувствительность — это предпочтительная мера реакции фотодиода на свет. См. Также квантовую эффективность.

Время отклика: Время отклика (τ R ), также известное как время нарастания и спада, представляет собой меру времени, которое требуется излучателю или детектору, чтобы перейти от точки 10% -90%, испуская и обнаружение соответственно, или точка 90% -10%. В фотодиодах время отклика зависит от длины волны (чем короче длина волны, тем быстрее отклик), емкости, сопротивления нагрузки и времени перехода кремния.Постоянная времени RC устройства почти никогда не является ограничивающим фактором. Скорость устройства почти всегда зависит от времени прохождения полупроводникового материала и расстояния от области обеднения до края устройства. Время отклика можно сократить, увеличив напряжение смещения, тем самым уменьшив емкость перехода устройства, уменьшив постоянную времени RC и уменьшив время перехода через кремний.

Сопротивление серии : Сопротивление серии (R S ) фотодиода — это сопротивление детектора, через которое должен протекать ток фотодиода.Это зависит от свойств материала и конструкции устройства, а также от качества электрических контактов с устройством. R S достаточно низкий, чтобы не беспокоить большинство фотодиодных приложений.

Ток короткого замыкания: Ток короткого замыкания (I SC ) — это ток, генерируемый фотодиодом при коротком замыкании, когда диод светится. I SC сильно зависит от интенсивности и спектрального распределения источника света.См. Отзывчивость.

Шунтирующее сопротивление: Шунтирующее сопротивление (R SH ) — это сопротивление нулевого смещения темного фотодиода. Эквивалентное сопротивление является важным параметром производительности фотодиодов, поскольку оно устанавливает нижний предел уровня шума устройства. Он определяется путем подачи небольшого испытательного напряжения обратного смещения (обычно 10 мВ) на фотодиод и измерения тока. Отношение значений измеренного тока и испытательного напряжения является сопротивлением шунта (см. Также эквивалентную мощность шума).Это значение должно быть известно для определения шумового тока, генерируемого фотодиодом в фотоэлектрической схеме с режимом тока короткого замыкания. Сопротивление шунта иногда называют импедансом источника.

Spectral Response: Обычный метод определения чувствительности фотодиодов. Выражается в амперах на ватт (A / W). Также необходимо указать монохроматическую длину волны, на которой выполняется измерение. Кремниевые фотодиоды чувствительны к свету в спектральном диапазоне от менее 200 нм в ультрафиолете (УФ) через видимую область до примерно 1100 нм в ближней инфракрасной области (БИК).Специальная конструкция устройства позволяет оптимизировать чувствительность на любой длине волны, особенно в УФ и ближнем инфракрасном диапазоне. Материалы окна ухудшают спектральный диапазон чувствительности детектора по сравнению с голыми чипами из-за отражения и поглощения.

Что такое фотодиод? — Конструкция, работа и применение

Определение: Фотодиод — это электронное устройство с двумя выводами, которое под воздействием света начинает течь через диод. Он работает только в режиме обратного смещения.Он преобразует световой энергии в электрической энергии. Когда обычный диод смещен в обратном направлении, обратный ток начинает увеличиваться с увеличением обратного напряжения, то же самое может быть приложено к фотодиоду.

Но в случае фотодиода ток может течь без приложения обратного напряжения, P-N переход фотодиода освещается светом, и световая энергия вытесняет валентные электроны, и диод начинает проводить.

Конструкция фотодиода

Фотодиод состоит из двух слоев полупроводника P-типа и N-типа.В этом случае материал P-типа формируется за счет диффузии слаболегированной подложки P-типа. Таким образом, слой ионов P + формируется за счет процесса диффузии. А эпитаксиальный слой N-типа выращивается на подложке N-типа. Диффузионный слой P + нанесен на сильно легированный эпитаксиальный слой N-типа. Контакты состоят из металлов и образуют два концевых катода и анода.

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

На неактивной поверхности лучи света не падают. Активный слой покрыт антибликовым материалом, чтобы световая энергия не терялась, а ее максимум можно было преобразовать в ток. Вся установка имеет габариты порядка 2,5 мм.

Принцип работы фотодиода

Когда обычный диод смещен в обратном направлении, область обеднения начинает расширяться, и ток начинает течь из-за неосновных носителей заряда.С увеличением обратного напряжения начинает расти и обратный ток. Такое же состояние можно получить в фотодиоде без приложения обратного напряжения.

Переход фотодиода освещается источником света, фотоны падают на поверхность перехода. Фотоны передают соединению свою энергию в виде света. Благодаря этому электроны из валентной зоны получают энергию, чтобы перейти в зону проводимости и внести свой вклад в ток. Таким образом фотодиод преобразует световую энергию в электрическую.

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

Режимы работы фотодиода

Он работает в двух режимах: Фотопроводящий, и Фотогальванический.

  1. Фотопроводящий: Когда фотодиод работает в режиме обратного смещения, он называется фотопроводящим режимом.При этом ток, протекающий в диоде, изменяется линейно с интенсивностью падающего на него света. Для отключения диода на него должно быть подано прямое напряжение.
  2. Фотовольтаический: Когда диод работает без обратного смещения, говорят, что он работает в фотоэлектрическом режиме. Когда обратное смещение снимается, носители заряда перемещаются через переход. Потенциал барьера отрицательный на стороне N и положительный на стороне P.

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

И отверстия, которые пересекли соединение и перешли из P-типа в N-тип во время изготовления соединения, теперь снова будут перемещаться на сторону P с помощью внешней схемы.

Таким образом, электроны теперь могут вытекать из N-типа, а дырки могут вытекать из P-типа, поэтому в этом состоянии они ведут себя как ячейка напряжения, имеющая N-тип в качестве отрицательного вывода и P-тип как положительный вывод.Таким образом, фотодиод можно использовать как фотопроводящее устройство или фотоэлектрическое устройство.

V-I Характеристики фотодиода

Кривую характеристик фотодиода можно понять с помощью приведенной ниже диаграммы. Характеристики показаны в отрицательной области, поскольку фотодиод может работать только в режиме обратного смещения.

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

I = I sc + I 0 (1 — e V / ɳВт )

Где Isc — ток короткого замыкания, V — положительное значение для прямого напряжения и отрицательное для обратного смещения, Vt — вольт-эквивалент для температуры, — единица для германия и 2 для кремния.

Преимущества фотодиодов

  1. Обратный ток составляет несколько десятков микроампер.
  2. Время нарастания и спада у фотодиодов очень мало, что делает его пригодным для высокоскоростного счета и переключения.

Недостатки фотодиодов

Фотодиоды

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

Применение фотодиодов

  1. Используется для обнаружения как видимых, так и невидимых световых лучей.
  2. Фотодиоды
  3. используются в системе связи для кодирования и демодуляции.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *