Универсальный внешний накопитель для всех iOS-устройств, совместим с PC/Mac, Android
Header Banner
8 800 100 5771 | +7 495 540 4266
c 9:00 до 24:00 пн-пт | c 10:00 до 18:00 сб

Как сделать фотодиод: Фототранзистор своими руками из мп 42

0 Comments

Содержание

Электротехника: Фотодатчик своими руками.

Инфракрасные фотодиоды используемые в телевизорах (или каких либо других управляемых приборах) для приёма сигнала могут быть применены для множества других целей. Повысив чувствительность фотодиода усилителем можно определять степень освещённости солнцем (или каким либо другим источником света в спектре которого присутствует инфракрасный свет). Для повышения чувствительности фотодиода можно применить простую схему доступную для сборки начинающему радиолюбителю. Рассмотрим эту схему:

Рисунок 1 – Фотодатчик

Транзистор VT1 усиливает ток фотодиода VD1, транзистор VT2 усиливает ток транзистора VT1.

Всё просто! Фотодиод можно достать из фотоприемника из телевизора. Фотоприемник может выглядеть так:

Остальные детали несложно достать, транзисторы КТ315 широко использовались (и используются) в разной аппаратуре. Рассмотрим детали:

Катод у фотодиода располагается справа (если фотодиод лежит как на фотографии выше), на схеме (рисунок 1) катод соединён с коллекторами транзисторов VT1 и VT2 и соединён с резистором R1.

Электродвигатель пригодиться для экспериментов с фотодатчиком. Для упрощения сборки на выводы транзисторов можно нацепить куски изолятора от проводов с разными цветами, например:

зелёный – база, 

белый -коллектор,

без изолятора – эмиттер.

Далее рассмотрим сборку:

Чёрными линиями показано как соединять выводы. Моторчик служит для визуального определения работоспособности схемы (вместо него можно поставить другой подходящий прибор например миллиамперметр (это даже лучше)).

Рассмотрим собранный фотодатчик:

Такой датчик можно использовать для построения beam роботов, программируемых роботов, игрушек и много чего ещё. Рассмотрим схему с электродвигателем и батарейками:

Рисунок 2 – Схема с электродвигателем и батарейками

Электродвигатель для транзистора представляет активно-индуктивную нагрузку так как обмотки двигателя имеют индуктивность поэтому для защиты транзистора VT2 желательно поставить параллельно ему обратный диод и/или конденсатор параллельно двигателю, но схема работает и без этого.

 

Схема приведенная ниже иллюстрирует как данный фотодатчик можно использовать для включения освещения в темноте и включения электродвигателя при свете от солнца или какого либо другого источника инфракрасного излучения (пульт д. у., свеча, лампа и т. д. (тепло человеческого тела и другие подобно холодные предметы не подходят из за малой длинны волны)):

Рисунок 3 – Схема включения светодиода в темноте и включения электродвигателя при свете

Данный фотодатчик можно использовать в системах дистанционного управления с нестандартными протоколами передачи данных или для управления электромагнитными реле коммутирующими мощную нагрузку и много для чего ещё.

Как из обычного диода сделать фотодиод


На самом деле различия между обычным диодов, который используется для выпрямления напряжения, и фотодиодом, регистрирующим световые излучения весьма небольшие. У них примерно один кристал, с одним и тем же принципом работы. Фотодиод также способен выпрямлять напряжение, а обычный диод вполне может регистрировать световые излучения, но для этого его необходимо немного доработать.

Понадобятся следующие детали



Как переделать диод в фотодиод своими руками


Чтобы переделать диод в фотодиод, необходимо удалить оболочку светозащитного корпуса. Для этого берем кусачки и откусываем часть корпуса у диода.

Вот и все. Теперь непрозрачная оболочка не блокирует свет и он спокойно может достигнуть кристала прибора.

Проверка самодельного фотодиода простой схемой


Чтобы проверить работу фотодиода соберем простую схему.
Спаиваем транзисторы в один составной. Эмиттер одного транзистора припаиваем к базе другого.

Припаиваем резистор между коллектором и базой транзистора.

Припаиваем фотодиод между базой и коллектором транзисторов.

Индикатором работы будет служить светодиод. Припаиваем его в схему.

Подаем на схему питание 9 Вольт.

Как видите, светодиод светится, так как через резистор на базу транзистора подается напряжение способное открыть оба транзистора.

Но стоит освятить фотодиод светом, как светодиод тухнет. Так как сопротивление фотодиода уменьшается и транзисторы закрываются.

Конечно, чувствительность самодельного фотодиода крайне мала, но вполне достаточна, чтобы сделать, скажем, самодельный оптрон или применить его в других целях. Кстати, чувствительность у него в инфракрасном диапазоне немного лучше.

Смотрите видео



Также вам должна понравиться статья: 2 мигалки на 220 В без транзисторов – https://sdelaysam-svoimirukami.ru/6136-2-prostejshie-migalki-na-220-v.html

Фотодатчик.

Часть 1 | Электроника для всех

Наверняка многим захочется присобачить к AVR фотодетектор, чтобы отслеживать хотя бы наличие или отсутствие света. Это полезно как для роботостроителей, так и для тех кто делает всякую автоматику. Итак, кратко опишу какие бывают фотодетекторы.

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 сероватая зигзагообразная дорожка. 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.

Фотодатчик. Часть 2. Модуляция

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.

Cчётчика Гейгера на Фотодиоде | Каталог самоделок

Счетчик Гейгера – разработанный в области физики специальный прибор, предназначенный улавливать и вести точный подсчет попавших на него альфа-, бета- и гамма частиц. Он обладает способностью реагировать на рентгеновское излучение, и такие виды как нейтронное и ультрафиолетовое.

Главенствующей составляющей данного прибора является специальная трубка, основное содержимое которой – различных типов газы. Трубка оснащена расположенными внутри нее двумя электродами.

Данная информационная статья представляет созданную самостоятельно конструкцию Гейгера, в которой имеет место замена традиционной трубки Гейгера-Мюллера фотодиодом. Созданная таким образом конструкция обладает способностью улавливать и фиксировать количество только первых двух видов упомянутых выше частиц. Диапазон гамма частиц остается вне поля ее деятельности. Очевидным преимуществом данной конструкции является доступность приобретения необходимых для ее сборки комплектующих.

Учитывая простоту схемы и возможность без проблем заполучить все нужные детали, собственно сборка устройства осуществляется легко и быстро. Воспользуйтесь с этой целью приведенной ниже схемой:

Для ее воссоздания понадобятся следующие детали:

  • Фотодиод марки BPW34

LM358 ОУ

  • Пара транзисторов:

– 2N3904

– 2N7000

  • Несколько конденсаторов:

–  2 шт типа 100 НФ

– 100 нкФ

– 10 нФ

– 20 нФ

  • Ряд сопротивлений:

– 1 Мом

–  2 шт типа 1. 5 Мом

– 150 ком

–  2 шт типа 1 ком

– 250 ком (переменный),

  • Пьезодинамик,
  • Переключатель.

На практике у вас будет возможность убедиться, что начинать сборку описываемого прибора целесообразно с датчика. Собственно, такой алгоритм действий предложен автором идеи.

Припаивание присоединяемых к нему сопротивлений возможно осуществлять на весу.

 

На следующем этапе сборки необходимо произвести обмотку конструкции изолентой. Поверх нее надеваются предварительно подобранные, соответствующие ее размерам трубки из меди. Их использование обусловлено необходимостью производить фильтрацию радиочастотных помех.

Согласно предложенному макету, следующим шагом осуществляется сборка платы. Элементами питания будущего прибора отлично выступят три батарейки марки CR1620.

Целесообразно обратить особое внимание на следующий нюанс: в силу чувствительности схемы к электромагнитным наводкам имеет смысл изготавливать корпус для создаваемого устройства из алюминия. Уже обозначенная причина диктует и недопущение лишнего количества отверстий в корпусе. Их должно быть строго четыре, подготовленные для соединения с датчиком, светодиодом, регулятором и тумблером.

После сборки корпуса прибора устройство готово. Можно приступать к его эксплуатации.

Также советуем ознакомиться с еще одной самоделкой на светодиоде – Лазерный сенсор движения и Номер передачи на ручке КПП  ВАЗ 2110.

 

Автор: Бекиров Федор. г. Саратов.

 

 

 

Фототранзисторы. Устройство и работа. Применение и особенности

Фототранзисторы являются твердотельными полупроводниками с внутренним усилением, применяемым для передачи цифровых и аналоговых сигналов. Этот прибор выполнен на основе обычного транзистора. Аналогами фототранзисторов являются фотодиоды, которые уступают ему по многим свойствам, и не сочетаются с работой современных электронных приборов и радиоустройств. Их принцип действия похож на работу фоторезистора.

Чувствительность фототранзистора гораздо выше, чем у фотодиода. Они нашли применение в различных устройствах, в которых применяется зависимость от светового потока. Такими устройствами являются лазерные радары, пульты дистанционного управления, датчики дыма и другие. Фототранзисторы могут реагировать как на обычное освещение, так и на ультрафиолетовое и инфракрасное излучение.

Устройство

Наиболее популярны биполярные фототранзисторы структуры n-p-n.

Ф-транзисторы имеют чувствительность к свету больше, чем простые биполярные, так как они оптимизированы для лучшего взаимодействия с лучами света. В их конструкции зона коллектора и базы имеет большую площадь. Корпус выполнен из темного непрозрачного материала, с окошком для пропускания света.

Большинство таких полупроводников изготавливают из монокристаллов германия и кремния. Существуют также фототранзисторы на основе сложных материалов.

Принцип действия

Транзистор включает в себя базу, коллектор и эмиттер. При функционировании фототранзистора база не включена в работу, так как свет создает электрический сигнал, который дает возможность протекать току по полупроводниковому переходу.

При нерабочей базе переход коллектора транзистора смещается в обратном направлении, а переход эмиттера в прямом направлении. Прибор остается без активности до тех пор, пока луч света не осветит его базу. Освещение активизирует полупроводник, при этом создавая пары дырок и электронов проводимости, то есть носители заряда. В итоге через коллектор и эмиттер проходит ток.

Свойство усиления

Фототранзисторы имеют рабочий диапазон, размер которого зависит от интенсивности падающего света, так как это связано с положительным потенциалом его базы.

Ток базы от падающего света подвергается усилению в сотни и тысячи раз. Дополнительное усиление тока обеспечивается особым транзистором Дарлингтона, который представляет собой полупроводник, эмиттер которого соединен с базой другого биполярного транзистора. На схеме изображен такой вид фототранзистора.

Это дает возможность создать повышенную чувствительность при слабом освещении, так как происходит двойное усиление двумя полупроводниками. Двумя транзисторами можно добиться усиления в сотни тысяч раз. Необходимо учитывать, что транзистор Дарлингтона медленнее реагирует на свет, в отличие от обычного фототранзистора.

Схемы подключения
Схема с общим эмиттером

По этой схеме создается сигнал выхода, переходящий от высокого состояния в низкое, при падении лучей света.

Эта схема выполнена с помощью подключения сопротивления между коллектором транзистора и источником питания. Напряжение выхода снимают с коллектора.

Схема с общим коллектором

Усилитель, подключенный с общим коллектором, создает сигнал выхода, переходящий от низкого состояния в высокое, при попадании света на полупроводник.

Эта схема образуется подключением сопротивления между отрицательным выводом питания и эмиттером. С эмиттера снимается выходной сигнал.

В обоих вариантах транзистор может работать в 2-х режимах:
  1. Активный режим.
  2. Режим переключения.
Активный режим

В этом режиме фототранзистор создает сигнал выхода, зависящий от интенсивности падающего света. Когда уровень освещенности превосходит определенную границу, то транзистор насыщается, и сигнал на выходе уже не будет повышаться, даже если увеличивать интенсивность лучей света. Такой режим действия рекомендуется для устройств с функцией сравнения двух порогов потока света.

Режим переключения

Действие полупроводника в этом режиме значит, что транзистор будет реагировать на подачу света выключением или включением. Такой режим необходим для устройств, в которых необходимо получение выходного сигнала в цифровом виде. Путем изменения значения резистора в схеме усилителя, можно подобрать один из режимов функционирования.

Для эксплуатации фототранзистора в качестве переключателя чаще всего применяют сопротивление более 5 кОм. Напряжение выхода повышенного уровня в переключающем режиме будет равно питающему напряжению. Напряжение выхода малого уровня должно равняться менее 0,8 В.

Проверка фототранзистора

Такой транзистор легко проверяется мультитестером, даже без наличия базы транзистора. Если подключить мультитестер к участку эмиттер-коллектор, то его сопротивление при любой полярности будет большим, так как транзистор закрыт. Если луч света попадает на чувствительный элемент, то измерительный прибор покажет низкое значение сопротивления, так как транзистор в этом случае открылся, благодаря свету, при правильной полярности питания.

Так ведет себя обычный транзистор, но он открывается сигналом электрического тока, а не лучом света. Кроме силы света, большую роль играет спектральный состав света.

Применение
  • Системы охраны (чаще применяются инфракрасные ф-транзисторы).
  • Фотореле.
  • Системы расчета данных и датчики уровней.
  • Автоматические системы коммутации осветительных приборов (также применяются инфракрасные ф-транзисторы).
  • Компьютерные управляющие логические системы.
  • Кодеры.
Преимущества
  • Выдают ток больше, чем фотодиоды.
  • Способны создать мгновенную высокую величину тока выхода.
  • Основное достоинство – способность создания повышенного напряжения, в отличие от фоторезисторов.
  • Невысокая стоимость.
Недостатки

Ф-транзисторы являются аналогом фотодиодов, однако имеют серьезные недостатки, которые создают условия для узкой специализации этого полупроводника.

  • Многие виды фототранзисторов изготавливают из силикона, поэтому они не могут работать с напряжением более 1 кВ.
  • Такие светочувствительные полупроводники имеют большую зависимость от перепадов напряжения питания в электрической цепи. В таких режимах фотодиод ведет себя гораздо надежнее.
  • Ф-транзисторы не сочетаются с работой в лампах, по причине малой скорости носителей заряда.
Обозначения на схемах

Управляемые световым потоком транзисторы, на схемах обозначаются как обычные транзисторы.

VТ1 и VТ2 – ф-транзисторы с базой, VТ3 – транзисторы без базы. Цоколевка изображена как у простых транзисторов.

Так же, как и другие приборы на основе полупроводников с переходом n-p-n, применяющиеся для преобразования светового потока, фототранзисторы можно назвать оптронами. Их на схемах изображают в виде светодиода в корпусе, или в виде оптронов со стрелками. Усилитель во многих схемах обозначается в виде базы и коллектора.

Похожие темы:

Светодиоды и фотодиоды

Светодиод – это полупроводниковый прибор, который излучает свет при пропускании через него тока в прямом направлении. Светодиод в электрической цепи ведёт себя также как обычный диод, только прямое напряжение светодиода в зависимости от типа светодиода составляет от 1,5 до 2,5 В, то есть при прямом включении светодиода падение напряжения на нём составляет 1,5…2,5 В. Этот эффект иногда используется в стабилизаторах напряжения, когда требуется получить стабильное напряжение в диапазоне 1,5…2,5 В (см.

раздел Стабилитроны).

Рабочий ток светодиода лежит обычно в диапазоне 5…20 мА, поэтому практически во всех случаях питание светодиода выполняется через гасящий резистор. Рабочий ток указывается в справочниках. Длительное превышение рабочего тока приводит неисправности светодиода. Пример расчета гасящего резистора и схема включения светодиода найдётся здесь: Применение резисторов. Если вы знакомы с электроникой, микропроцессорами (или хотите с этими темами познакомиться), то рекомендую книгу Как стать программистом, где вы узнаете как подключить светодиоды к микропроцессору и как заставить их работать по заданной программе.

Светодиоды бывают разных цветов и типов. Они могут испускать как видимое излучение, так и инфракрасное (ИК-излучение). Инфракрасное излучение невидимо для человеческого глаза. Светодиоды в настоящее время используются очень широко, например, в различных устройствах индикации. Некоторое время назад появились сверхъяркие светодиоды, которые используются для освещения помещений вместо ламп. Такие светодиоды потребляют в десятки раз меньше электроэнергии и имеют срок службы 30000 часов и выше, что в сотни раз больше срока службы любых ламп. Правда, стоимость таких светодиодов пока высока.

Рис. 4. Светодиоды.

Фотодиод – это полупроводниковый прибор, который имеет светочувствительную поверхность. В зависимости от величины освещённости этой поверхности, меняется ток через фотодиод, если на него подано напряжение (фотодиод включается в обратном направлении, как и стабилитрон). Этот эффект используется в различных оптических датчиках. Например, пара светодиод-фотодиод используется в компьютерной мыши, подробнее см. здесь: Ремонт компьютерной мыши. Такой режим работы носит название фотодиодный режим.

Однако фотодиод может работать и в режиме генерации электроэнергии (солнечные батареи). В этом случае напряжение на светодиод не подаётся, а наоборот, снимается. Это называется фотогальванический режим.

Таким образом, принцип работы фотодиода определяется выбранным режимом. В фотодиодном режиме фотодиод может работать как датчик освещённости. В фотогальваническом – как источник электроэнергии. Конечно, один фотодиод – это очень слабый источник электроэнергии. Для того чтобы получить хоть какую-то реальную энергию, нужно включить вместе десятки и сотни фотодиодов. Отсюда и внушительные размеры солнечных батарей.

Примеры внешнего вида светодиодов приведены на рис. 4. Примеры внешнего вида фотодиодов приведены на рис. 5 (по центру – ИК-фотодиод; ИК-фотодиоды обычно имеют «тонировку», чтобы исключить засветку от внешних источников). Условное графическое обозначение (УГО) светодиодов и фотодиодов изображено на рис. 6.

Рис. 5. Фотодиоды.

Рис. 6. УГО фотодиодов и светодиодов.

В былые времена, когда радиолюбителей в стране было много, а радиодеталей почему-то мало, достать светодиоды, а тем более фотодиоды заводского изготовления было крайне сложно. Поэтому электронщики-любители делали фотодиоды из обычных германиевых транзисторов серий МП38…МП42. Эти транзисторы изготавливались в металлическом корпусе. Чтобы превратить транзистор в фототранзистор, надо было осторожно спилить верхнюю часть корпуса. Тогда транзистор мог работать как фототранзистор. Конечно, это была не совсем адекватная альтернатива. Однако, как известно, на безрыбье…


ОПТИЧЕСКИЙ ДАТЧИК НА ФОТОДИОДЕ

Данная статья представляет собой обзор перспектив применения каскодного усилителя для согласования фотодиодного датчика с длинным кабелем. Задача стояла изготовить оптический датчик, подключающийся к тахометру с помощью коаксиального кабеля. Тахометр применен опытно-промышленного изготовления, поэтому его в данной статье рассматривать не будем.

Недостатки классических подходов

Для начала вспомним как работает фотодиод: при внешнем освещении он начинает вырабатывать небольшой фототок, порядка сотни наноампер. Затем этот ток либо усиливается и передается, либо наоборот, передается и в приемнике усиливается. Первый подход требует отдельного источника питания, а это, в свою очередь, вынуждает применять трехпроводные кабели и разъемы.

Да и сам усилитель, даже будучи собранным на SMD, занимает ценное пространство пробника и, скорее всего, потребует применение печатной платы, что неудобно. Второй подход порождает иные проблемы. Подключив фотодиод к длинному кабелю, можно столкнуться при передаче с наводками и утечками, а если вход у прибора высокоомный, то и с емкостью самого кабеля, которая ограничит частотный диапазон работы. Данный способ имеет право на жизнь, если соединительная линия имеет небольшую длину и в приемном устройстве применяется приличный усилитель. В нашем же случае на такой усилитель рассчитывать не стоит. А учитывая и то, что тахометр эксплуатируется  в условиях сильных электромагнитных помех, такой подход просто неприменим. Тут требуется иное решение.

Преимущества каскода

Каскод представляет из себя усилитель на паре транзисторов, включенных по схеме преобразователь напряжение-ток и ток-напряжение. Ветвь ток-ток при этом находится под неизменным напряжением, и если в разрыв ветви вставить длинный кабель, то не будет происходить перезаряд его емкости. Утечки и помехи также становятся незначительными, за счет сравнительно большого протекающего тока, что в результате позволяет применить кабель практический любой длины. Из недостатков схемы можно указать, что такой каскод требует для работы довольно высокого напряжения питания, от 9 В и выше. Можно заставить его работать и от 5 вольт, но будет это не просто и, возможно, повлечет серьезное изменение схемы.

Описание схемы

Сам пробник состоит из фотодиода, резистора нагрузки сопротивлением 1 МОм, разделительного конденсатора, резистора утечки 3.3 МОм и транзистора Т1. Фотодиод при освещении начинает выдавать ток, который протекает по резистору нагрузки, тем самым создавая на нем падение напряжения. Это напряжение уже можно подавать на затвор транзистора Т1. 

После некоторых попыток подать на фотодиод смещение, было выяснено, что заметного улучшения чувствительности это не приносит, зато проблем добавляет массу, поэтому от смещения решено было отказаться. Поскольку тахометр работает исключительно по перепадам светового потока, то целесообразно сделать его устойчивым к внешней засветке. Для этого применен разделительный конденсатор,и так как оставлять висящий в воздухе по постоянному току затвор нельзя, применен резистор утечки 3.3 МОм.

Для увеличения чувствительности можно несколько увеличить сопротивление первого резистора, но не сильно, при напряжении на фотодиоде выше 0,2 В резко начинает сказываться нелинейность последнего. Но, если работа предполагается в сильном затемнении, то можно спокойно увеличивать сопротивление даже в пять раз. Разделительный конденсатор и резистор утечки представляют собой фильтр ВЧ, и его номиналы могут быть выбраны в зависимости от требуемой минимальной рабочей частоты. А при работе в статическом режиме, например, в датчике освещения, данные элементы можно вообще не устанавливать. Также следует иметь ввиду, что сопротивление резистора утечки должно быть больше резистора нагрузки. 

Далее напряжение, свободное от постоянной составляющей, подается на затвор полевого транзистора Т1, который преобразует его в ток, пригодный для передачи по кабелю.  

В приемной части на транзисторе Т2 собран преобразователь ток-напряжение. Стабилитрон на 3.6 В стабилизирует потенциал на базе транзистора Т2. На эмиттере Т2 и стоке Т1 будет примерно на 0,6 вольт меньше, то есть в районе 3 вольт. Нагрузкой транзистора Т2 служит резистор 1.2К*, его сопротивление зависит от напряжения питания, напряжения на стабилитроне и начального тока стока транзистора Т1. Начальный ток стока применяемого транзистора оказался 3 мА, напряжение питания 9.5 вольт.

Напряжение коллектор-база должно быть минимум 2 В, а сопротивление нагрузки (для получения максимального усиления) как можно больше. При напряжении на коллекторе в районе 6 вольт, на резисторе остается 9,5-6=3,5 вольта, что при токе 3 мА дает сопротивление чуть меньше 1,2 ком. Так как, чем больше это сопротивление, тем больше усиление каскада, то нужно стремиться его увеличить. Раз напряжение питания задано, а уменьшать напряжение на транзисторах нельзя, остается подбирать транзистор Т1 с наименьшим начальным током стока и максимальной крутизной. При этом коэффициент усиления каскада будет небольшим, примерно 1…2. 

Выходной сигнал снимается с коллектора транзистора Т2. На транзисторе Т3 собран усилитель, который является частью тахометра и служит для согласования каскода с логикой схемы.

Резистор, отмеченный двумя звездочками, задает начальную точку Т3 и подбирается под конкретный транзистор по наивысшей чувствительности срабатывания. 

Те, кого транзисторная схемотехника страшит или усиления в несколько раз не хватает, могут поставить операционный усилитель. В данном варианте схемы усиление определяется всего одним резистором обратной связи.

Конструкция

Пробник собран в корпусе от разъема BNC на фотодиоде ФД265А и транзисторе КП303Д. Транзистор Т2 вовсе со стертой маркировкой, но к нему не предъявляется никаких особых требований, разве что чтобы статический  коэффициент передачи тока был не сильно мал, от 50 и выше. Полевой транзистор тоже можно применять любой марки нужного типа проводимости, желательно отобранный по начальному току и крутизне.

Данная схема была проверена на работу на коаксиальный кабель длиной 20 метров и не вызвала никаких нареканий. Автор материала – SecreTUseR.

   Форум по фотоэлементам

   Форум по обсуждению материала ОПТИЧЕСКИЙ ДАТЧИК НА ФОТОДИОДЕ

Конструкция, типы, работа и применение

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

Что такое фотодиод?

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

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

Типы фотодиодов

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

PN Фотодиод

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

PIN Фотодиод

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


Лавинный фотодиод

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

Фотодиод Шоттки

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

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

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

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

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

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

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

Конструкция

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

Конструкция фотодиода

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

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

Работа фотодиода

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

Принцип работы фотодиода

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

Режимы работы

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

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

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

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

Почему фотодиод работает в режиме обратного смещения?

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

Какой фотодиод или фототранзистор лучше?

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

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

Фотодиод

Фототранзистор

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

Схема фотодиода

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

Подключение фотодиода к внешней цепи

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

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

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

КПД фотодиода

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

I = S P = ηe / hv. P

Где,

«η» – квантовая эффективность

«e» – заряд электрона

«hν» – энергия фотона

Квантовая эффективность

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

Чувствительность

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

Расчет фотодиода может быть выполнен на основе следующего уравнения

R = η (э / hv)

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

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

PIN фотодиод против фотодиода PN

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

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

Преимущества

К преимуществам фотодиода относятся следующие.

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

Недостатки

К недостаткам фотодиода относятся следующие.

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

Применения фотодиода

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

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

Характеристики

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

Фото:

Отсутствует

Код 404 страница не найдена.К сожалению, страница отсутствует или перемещена.

Ниже приведены основные подразделы этого сайта.


  • Главная страница General Electronics
  • Мой канал YouTube Electronics
  • Проекты микроконтроллеров Arduino
  • Raspberry Pi и Linux
  • Возвращение к регистрам порта Arduino
  • Digispark ATtiny85 с расширителем GPIO MCP23016
  • Программа безопасного построения H-моста
  • Построить управление двигателем с H-мостом без фейерверков
  • MOSFET H-мост для Arduino 2
  • Гистерезис компаратора и триггеры Шмитта
  • Учебное пособие по теории компараторов
  • Работа и использование фотодиодных схем
  • Реле постоянного тока с оптопарой на полевых МОП-транзисторах с фотоэлектрическими драйверами
  • Подключение твердотельных реле Crydom MOSFET
  • Учебное пособие по схемам фотодиодных операционных усилителей
  • Входные цепи оптопары для ПЛК
  • h21L1, 6N137A, FED8183, TLP2662 Оптопары с цифровым выходом
  • Цепи постоянного тока с LM334
  • LM334 Цепи CCS с термисторами, фотоэлементами
  • LM317 Цепи источника постоянного тока
  • TA8050P Управление двигателем с Н-мостом
  • Оптическая развязка элементов управления двигателем с Н-образным мостом
  • Управление двигателем с Н-мостом на всех NPN-транзисторах
  • Базовые симисторы и тиристоры
  • Твердотельные реле переменного тока с симисторами
  • Светоактивированный кремниевый управляемый выпрямитель (LASCR)
  • Базовые схемы транзисторных драйверов для микроконтроллеров
  • ULN2003A Транзисторная матрица Дарлингтона с примерами схем
  • Учебное пособие по использованию силовых транзисторов Дарлингтона TIP120 и TIP125
  • Управление силовыми транзисторами 2N3055-MJ2955 с транзисторами Дарлингтона
  • Описание биполярных транзисторных переключателей
  • Учебное пособие по переключению N-канального силового МОП-транзистора
  • Учебное пособие по переключателю P-Channel Power MOSFET
  • Построение транзисторного управления двигателем с H-мостом
  • Н-мостовое управление двигателем с силовыми МОП-транзисторами
  • Другие примеры схем Н-моста силового полевого МОП-транзистора
  • Создание мощного транзисторного управления двигателем с H-мостом
  • Теория и работа конденсаторов
  • Построить вакуумную трубку 12AV6 AM-радио
  • Катушки для высокоселективного кристаллического радио
  • Добавление двухтактного выходного каскада к усилителю звука Lm386
  • Исправление источника питания
  • Основные силовые трансформаторы
  • Цепи транзисторно-стабилитронного стабилизатора
  • Уловки и подсказки для регуляторов напряжения серии LM78XX
  • Биполярные источники питания
  • Создайте регулируемый источник питания 0-34 В с Lm317
  • Использование датчиков Холла с переменным током
  • Использование переключателей и датчиков на эффекте Холла
  • Использование ратиометрических датчиков на эффекте Холла
  • Использование датчиков Холла с Arduino-ATMEGA168
  • Простой преобразователь от 12-14 В постоянного тока до 120 В переменного тока
  • Глядя на схемы оконного компаратора
  • Автоматическое открытие и закрытие окна теплицы
  • La4224 Усилитель звука 1 Вт
  • Управление двигателем H-Bridge с силовыми МОП-транзисторами Обновлено
  • Обновлено в сентябре 2017 г .:
  • Веб-мастер
    • Раскрытие
  • Бристоль, Юго-Западная Вирджиния
  • Наука и технологии
  • 2017 Обновления и удаления веб-сайтов
  • Электроника для хобби
  • Конституция США
  • Христианство 101
  • Религиозные темы
  • Электронная почта

»Главная ” Электронное письмо »Пожертвовать ” Преступление »Электроника для хобби
» Экологичность »Расизм »Религия »Бристоль VA / TN

»Архив 1 »Архив 2 »Архив 3 »Архив 4 »Архив 5
» Архив 6 »Архив 7 »Архив 8 »Архив 9

Веб-сайт Авторские права Льюис Лофлин, Все права защищены.

Фотодиодные конструкции »Электроника

Различные типы фотодиодной структуры и материалы фотодиода влияют на производительность и использование: PN-переход, PIN-код, лавинные фотодиоды и фотодиоды Шоттки.

Учебное пособие по фотодиоду Включает:
Фотодиодная технология Фотодиоды PN и PIN Лавинный фотодиод Фотодиод Шоттки Фотодиодные конструкции Теория фотодиода

Другие диоды: Типы диодов

Структура фотодиода имеет большое значение для работы любого устройства в качестве фотодетектора.

Структура и материалы фотодиода определяют способ работы фотодиода, а такие факторы, как размер области перехода, включая внутреннюю область, увеличивают размер области или объема, в котором могут быть собраны световые фотографии.

В результате конструкция, материалы и механизм, используемые для фотодиода, имеют большое значение.

Используется множество различных фотодиодных структур, и они различаются в зависимости от типа рассматриваемого фотодиода.Структуры лавинных фотодиодов отличаются от тех, что используются для фотодиодов PIN или PN. Структура фотодиода Шоттки снова другая. Однако все структуры фотодиодов предназначены для оптимизации сбора и преобразования света.

Структуры фотодиодов PN и PIN

Стандартный диод с PN переходом может выполнять функции фотодиода. Однако одним из ключевых требований к фотодиоду является подходящая площадка для сбора света. В стандартном PN-переходе это относительно мало, но площадь может быть увеличена с помощью PIN-диода.Поскольку внутренняя область включена в активный переход для сбора света, существует гораздо большая площадь для сбора света, что делает PIN-фотодиод более эффективным.

В процессе изготовления фотодиода между слоями типа P и N вставляется толстый внутренний слой. Этот средний внутренний слой может быть либо полностью внутренним, либо очень слабо легированным, чтобы образовать его и N-слой. В некоторых случаях он может быть выращен как эпитаксиальный слой на подложке, или, альтернативно, он может содержаться внутри самой подложки.

Структура фотодиода с PIN-кодом

Одним из основных требований к фотодиоду является обеспечение того, чтобы максимальное количество света достигло внутреннего слоя. Один из наиболее эффективных способов добиться этого – разместить электрические контакты сбоку устройства, как показано на рисунке. Это позволяет максимальному количеству света достигать активной области. Было обнаружено, что, поскольку подложка сильно легирована, потери света очень малы из-за того, что это не активная область.

Поскольку свет в основном поглощается на определенном расстоянии, толщина внутреннего слоя обычно должна соответствовать этой толщине.Любое увеличение толщины сверх этого приведет к снижению скорости работы, что является жизненно важным фактором во многих приложениях, и не приведет к значительному повышению эффективности.

Также возможно, чтобы свет попадал на фотодиод со стороны перехода. При такой работе фотодиода внутренний слой может быть намного меньше для увеличения скорости работы, хотя эффективность снижается.

В некоторых случаях может использоваться гетеропереход. Эта форма структуры обладает дополнительной гибкостью, позволяющей принимать свет от подложки, и имеет больший энергетический зазор, что делает ее прозрачной для света.

Гетеропереходная структура фотодиода с PIN-кодом

В формате гетероперехода для фотодиода с PIN-кодом используется менее стандартная технология, часто с использованием таких материалов, как InGaAs и InP, изображенных на диаграмме. Поскольку это менее стандартный процесс, он дороже в реализации и, как следствие, имеет тенденцию использоваться для более специализированных продуктов.

Фотодиодные материалы PN / PIN

Материалы для фотодиодов определяют многие его характеристики. Одним из ключевых свойств или характеристик является длина волны света, на которую реагирует диод.Другой – уровень шума. Оба эти фактора в значительной степени зависят от материала, используемого в фотодиоде.

Различная реакция на длину волны, вызванная использованием различных материалов, происходит потому, что только фотоны с достаточной энергией для возбуждения электрона через запрещенную зону материала будут производить значительную энергию для развития тока от фотодиода.

Диапазоны длин волн для часто используемых фотодиодных материалов
Материал Длина волны
Чувствительность (нм)
Германий 800–1700
Арсенид галлия индия 800–2600
Сульфид свинца ~ 1000-3500
Кремний 190–1100

Хотя чувствительность материала к длине волны очень важна, другим параметром, который может существенно повлиять на характеристики фотодиода, является уровень создаваемого шума.Из-за большей ширины запрещенной зоны кремниевые фотодиоды генерируют меньше шума, чем германиевые фотодиоды. Однако также необходимо учитывать длины волн, для которых требуется фотодиод, и германиевые фотодиоды должны использоваться для длин волн, превышающих приблизительно 1000 нм.

Структура лавинного фотодиода

Структура лавинного фотодиода относительно аналогична структуре более широко используемой структуры фотодиода PN или структуре фотодиода PIN.Однако, поскольку лавинный фотодиод работает при высоком уровне обратного смещения, по периметру диодного перехода размещается защитное кольцо. Это предотвращает механизмы разрушения поверхности.

Структура фотодиода Avalanche PIN

Материалы фотодиода Avalanche

Как и стандартные фотодиоды PN или PIN, используемые материалы имеют большое влияние на определение характеристик лавинного диода.

Обычно используемые лавинные фотодиодные материалы
Материал Недвижимость
Германий Может использоваться для длин волн в диапазоне 800 – 1700 нм.Имеет высокий уровень шума умножения.
Кремний Может использоваться для длин волн в диапазоне от 190 до 1100 нм. Диоды демонстрируют сравнительно низкий уровень шума умножения по сравнению с диодами, в которых используются другие материалы, в частности, германий.
Арсенид галлия индия Может использоваться для длин волн до 1600 нм и имеет более низкий уровень шума умножения, чем германий.

Для достижения оптимальных шумовых характеристик необходима большая разница в коэффициентах ионизации для электронов и дырок.Кремний обеспечивает хорошие шумовые характеристики с соотношением между различными коэффициентами, равным 50. Германий и многие соединения групп III-V имеют только отношения менее 2. Хотя шумовые характеристики этих материалов намного ниже, их необходимо использовать дольше. длины волн, для которых требуется меньшая предложенная энергетическая щель.

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

Фотодиоды

  • Изучив этот раздел, вы должны уметь:
  • Описание различных методов работы фотодиода:
  • • Фотоэлектрические.
  • • Фотопроводящий.
  • Опишите основную конструкцию фотодиодов.
  • Опишите работу различных типов фотодиодов:
  • • Фотопроводящие диоды.
  • • Фотодиоды PIN.
  • • Лавинные фотодиоды.
  • Опишите типичные ограничения в работе фотодиода.
  • • Темновой ток.
  • • Шум.
  • Опишите причину выбора обычных материалов, используемых в конструкции фотодиодов.
  • • Кремний.
  • • Германий.
  • • Арсенид галлия.
  • • Арсенид индия-галлия.

Рис. 2.7.1 Фотоэлектрические диоды


(солнечные панели)

Основные сведения о фотодиодах

Фотодиоды в основном обладают противоположным эффектом по сравнению с светодиодами и лазерными диодами. Вместо того, чтобы использовать электрический ток, чтобы заставить электроны и дырки объединяться для создания фотонов, фотодиоды поглощают световую энергию (фотоны) для генерации электронно-дырочных пар, создавая поток электрического тока.

Рис.2.7.2 Типичные фотопроводящие диоды


Семейства фотодиодов

Два основных метода получения электричества из света с использованием фотодиодов – это фотоэлектрический и фотопроводящий. В обоих методах используются светочувствительные полупроводниковые диоды, главное отличие состоит в том, что фотоэлектрические устройства, в основном используемые в солнечных панелях (рис. 2.7.1), не используют напряжение смещения, подаваемое на диод, а работают в режиме фотопроводимости (рис. 2.7.2). На фотодиоды подается обратное напряжение смещения от некоторого внешнего источника.

Применение фотодиодов

Фотопроводящие диоды используются в электронных системах, таких как оптоволоконная связь (этот текст был доставлен вам с использованием фотодиодов). В камерах используются фотодиоды для измерения освещенности, а также для управления затвором, фокусировкой и вспышкой. Медицинское использование включает обнаружение рентгеновских лучей и измерение пульса. Фотопроводящие диоды являются предпочтительным выбором для многих промышленных систем, где необходимо измерять свет, от сканеров штрих-кода и датчиков положения до детекторов дыма и геодезических инструментов.В приложениях, связанных с высокочастотными изменениями уровня освещенности, таких как волоконно-оптическая связь, важно поддерживать минимальную емкость перехода диода, поскольку довольно малая емкость удаляет более высокие частоты и серьезно снижает эффективность приемника фотодиода. Поэтому фотопроводящие диоды изготавливаются небольших физических размеров, которые генерируют очень небольшие количества электрического тока. Фотоэлектрические диоды, напротив, производятся в виде солнечных панелей очень большого размера, чтобы максимально повысить эффективность сбора света.Солнечные панели обязательно имеют гораздо большую емкость перехода, чем фотопроводящие устройства, но их эффективность не снижается, поскольку они предназначены для выработки (гораздо большего) электрического тока при постоянном токе (0 Гц).

Рис. 2.7.3 Базовая конструкция фотодиода

Конструкция фотодиода

Типичная конструкция фотодиода показана на рис. 2.7.3. В этом примере используется метод построения, называемый ионной имплантацией, при котором поверхность слоя N-типа бомбардируется ионами кремния P-типа для получения слоя P-типа толщиной около 1 мкм (микрометра).Во время формирования диода электроны из слоя N-типа притягиваются к материалу P-типа, а дырки из P-типа притягиваются к слою N-типа, что приводит к удалению свободных носителей заряда вблизи PN-перехода, таким образом создавая слой истощения (показан белым на рис. 2.7.3).

Верхняя часть диода (обращенная к свету) защищена слоем диоксида кремния (SO 2 ), в котором есть окно, через которое свет падает на полупроводник. Это окно покрыто тонким антибликовым слоем нитрида кремния (SiN), чтобы обеспечить максимальное поглощение света, а анодное соединение алюминия (Al) обеспечено для слоя P-типа.Под слоем типа N находится более сильно легированный слой N +, обеспечивающий низкоомное соединение с катодом.

Работа фотодиода

Рис. 2.7.4 Фотоны создают пары электрон / дырка

Рис. 2.7.5 Дырки и электроны притягиваются


обратным смещением

Рис. 2.7.6 Отверстия и электроны образуют


Фотоэлектрический ток

Для диода, работающего в режиме фотопроводимости, обычно используют обратное смещение, подавая напряжение постоянного тока, чтобы сделать катод более положительным, чем анод.Это приводит к расширению обедненного слоя, как показано на фиг. 2.7.4 и 2.7.5.

Поскольку слои P и N с обедняющим слоем между ними эффективно образуют конденсатор, расширение обедненного слоя снижает емкость PN перехода и увеличивает максимальную частоту, на которой может работать диод; желательное свойство, особенно в фотодиодах, которые работают как приемники цифровой информации.

Когда поверхность фотодиода освещена, как показано на рис.2.7.4 фотоны поглощаются внутри диода и, в основном в обедненном слое, возбуждают энергию отрицательных электронов в валентном слое атомов, чтобы перейти на более высокий энергетический уровень в зоне проводимости атома.

Рис. 2.7.7 Диаграмма энергетических диапазонов


действия фотодиода

Это оставляет положительно заряженные дырки в валентной зоне, создавая «пары электрон / дырка» в обедненном слое. Некоторые пары электронных дырок также образуются в слоях P и N, но кроме тех, которые образуются в слоях N диффузионной области, большая часть будет повторно поглощаться в материалах P и N в виде тепла.Электроны в обедненном слое затем перемещаются к положительному потенциалу на катоде, а дырки перемещаются к отрицательному потенциалу на аноде, создавая фототок, как показано на рис. 2.7.6.

Хотя фиг. 2.7.4–2.7.6 показывают различные этапы преобразования световой энергии в электрический ток, следует понимать, что все эти этапы происходят одновременно и как непрерывный процесс, пока освещается принимающая поверхность фотодиода.Альтернативный способ проиллюстрировать действие фотодиода – использовать энергетическую диаграмму, как показано на рис. 2.7.7. Это отображает уровни энергии валентной зоны и зоны проводимости атома (кремния) на вертикальной оси диаграммы в зависимости от расстояния между анодом и катодом фотодиода на горизонтальной оси.

На рис. 2.7.7 фотоны, падающие на атомы в обедненном слое и диффузионные области слоев P и N, показаны как небольшие вспышки энергии, каждая из которых побуждает электрон прыгнуть (вертикальные синие стрелки) на более высокий энергетический уровень. зона проводимости.Обратите внимание, что пары электрон / дырка, созданные в теле слоев P и N, повторно поглощаются в виде тепла. Как только электроны и дырки разделены, обратное смещение, приложенное к аноду и катоду диода, вступает во владение, перемещая электроны к (положительному) катоду, а дырки к (отрицательному) аноду (большие синие и красные стрелки).

Рис. 2.7.8 PIN Фотодиод

Уменьшение емкости перехода


Фотодиод PIN

В этом фотодиоде используется слой собственного (нелегированного или иногда слегка легированного N-) полупроводника между слоями P и N, см. Рис.2.7.8. Это приводит к уменьшению емкости PN-перехода и, следовательно, к повышению максимальной скорости переключения, особенно подходящей для оптоволоконной связи. Сравнительно глубокий внутренний слой также обеспечивает больший объем для преобразования фотонов в электроны / дырки.

Фотодиоды

PIN используются в фотопроводящем режиме с приложенным обратным смещением, соотношение между количеством принимаемого света и производимым электрическим током практически линейно, и они также относительно стабильны в своем нормальном температурном диапазоне.

Темновой ток и шум

Рис. 2.7.9 Темновой ток и шум

Ток, создаваемый фотодиодным процессом, чрезвычайно мал, в диапазоне от наноампер (нА) до нескольких микроампер (мкА), и хотя соотношение между количеством света, падающего на фотодиод, и производимым током является довольно линейным. , в условиях очень низкой освещенности создаваемый фототок маскируется нормальным обратным током утечки из-за тепловой активности внутри атомной структуры диода.Этот ток называется «темновым током», поскольку он все еще присутствует, когда диод не светится.

Малое значение фотоэлектрического тока, создаваемого фотодиодом, и наличие термически образованного темнового тока, приводят к тому, что полезный диапазон фотодиода значительно ограничивается при низких уровнях освещенности.

Из-за чрезвычайно низких уровней сигнала, получаемого от фотодиодов, возникновение теплового шума также является проблемой, особенно там, где фотодиоды могут использоваться для обнаружения низких уровней освещенности.«Минимальный полезный ток» для обнаружения света – это фототок, который равен темновому току плюс термический шум, создаваемый диодом, как показано на рис. 2.7.9.

Рис. 2.7.10 Трансимпедансный фотодиодный усилитель

Обычно очень слабый ток сигнала от фотодиода каким-то образом усиливается, на рис. 2.7.10 показана типичная схема усилителя с трансимпедансным операционным усилителем. Этот усилитель имеет низкий входной импеданс и преобразует небольшие колебания тока на его входе в гораздо большие колебания напряжения на выходе.Коэффициент усиления усилителя устанавливается значением R f , а C f помогает избежать нестабильности. Однако также полезно создать в фотодиоде максимально возможную амплитуду тока сигнала, прежде чем он будет усилен внешней схемой. Поскольку любой электронный усилитель также вносит некоторый шум, один из ответов на это – использование самого фотодиода для получения полезной степени усиления; это цель лавинного фотодиода.

Рис.2.7.11 Лавинный фотодиод

Лавинные фотодиоды

Назначение лавинного фотодиода – обеспечить начальное усиление фототока внутри самого диода. Это достигается за счет работы с гораздо большим обратным смещением, чем у других фотодиодов. Это может означать, что диод работает вблизи зоны обратного пробоя своих характеристик. На рис. 2.7.11 показана одна из типичных структур лавинного фотодиода. Обратите внимание, что анод P + сделан отрицательным, а катодный слой N + – положительным, чтобы обеспечить обратное смещение.

Использование такого высокого напряжения обратного смещения (обычно 20 В или более) обеспечивает широкий обедненный слой, который формирует большую область сбора, где фотоны создают пары электрон / дырка. Это высокое напряжение на обедненном слое также создает сильное электрическое силовое поле, которое ускоряет электроны в направлении положительного потенциала на катоде (и дырок в направлении анода).

Усиление ударной ионизацией

Обратите внимание на легирование различных слоев фотодиода.Слой N + непосредственно под антибликовым слоем сильно легирован. Под ним находится нормально легированный слой P, образующий PN переход диода; Основная часть диода представляет собой слаболегированный слой P− с сильно легированным слоем P + рядом с соединением анода.

Рис. 2.7.12 Ударная ионизация

Уровень легирования полупроводника влияет на его сопротивление, причем более сильно легированные слои имеют наименьшее сопротивление. Для определенного значения тока, протекающего через слои диода, которые, по сути, представляют собой серию сопротивлений разного значения, вызывает разные значения напряжения на разных слоях.Это создает неравномерное электрическое силовое поле на диоде, как показано на рис. 2.7.12.

Чем больше напряженность электрического поля, тем большее ускорение дается электронам в полупроводнике. Внизу диаграммы (рис. 2.7.9) сильно легированный слой P + рядом с анодом диода имеет низкое сопротивление, что способствует эффективному соединению с металлическим анодным соединителем. В обедненной области сопротивление полупроводника P- выше, что обеспечивает достаточную напряженность поля для ускорения пар электрон / дырка, созданных фотонами.Из-за глубины этой области необходимо как можно быстрее перемещать носители заряда (электроны и дырки), чтобы фотодиод быстро реагировал на изменение уровня света.

Поскольку электроны притягиваются в зону лавины вокруг более сильно легированного перехода P N +, более высокое сопротивление этих слоев создает более высокое напряжение и, следовательно, более высокую напряженность поля, что еще больше ускоряет электроны. Когда эти сильно ускоренные электроны сталкиваются с валентными электронами в атомах полупроводникового материала, они заставляют эти ранее связанные валентные электроны прыгать в зону проводимости, создавая дополнительные носители заряда.Эти новые носители заряда (электроны) теперь также обладают достаточной энергией, чтобы вытеснить больше электронов ударом и так далее, создавая лавину дополнительных электронов, что, конечно же, создает дополнительный ток.

С помощью этого метода, называемого ударной ионизацией, был эффективно усилен исходный очень небольшой ток, создаваемый фотонами. Величина усиления зависит от ускоряющего напряжения, которое может находиться в диапазоне от примерно 20 В до нескольких сотен вольт. Дополнительными факторами, влияющими на усиление, являются толщина области лавины и количество электронов, участвующих в процессе ударной ионизации.

Поскольку количество ударов является случайным, величина усиления за любой короткий период времени будет изменяться, и поэтому может быть указана только как среднее значение. Также из-за случайного характера воздействия фотонов выходной ток будет иметь тенденцию быть шумным из-за быстрых колебаний усиления.

Лавинные фотодиоды не имеют такой хорошей линейной зависимости между принимаемым светом и производимым током, как другие уже описанные фотопроводящие диоды, но это не обязательно является серьезным недостатком в их основном применении, которое является приемником цифровой информации в оптоволоконной коммуникации и другие приложения для высокоскоростной коммутации.

Фотодиодные материалы

Фотодиоды

используют в своей конструкции различные полупроводниковые материалы, главным образом для того, чтобы позволить производителям изготавливать ряд фотодиодов, которые реагируют на различные части видимого спектра, а также на ультрафиолетовые и инфракрасные длины волн. На рис. 2.7.13 показаны приблизительные длины волн, охватываемые некоторыми распространенными полупроводниковыми материалами, используемыми для фотодиодов.

Рис. 2.7.13 Приблизительные диапазоны длин волн обычных фотодиодных материалов

Кремниевые фотодиоды

Рис.2.7.14 Относительная чувствительность полупроводниковых фотодиодов


Кремниевые (Si) фотодиоды

популярны для оптических приемников данных, поскольку они могут изготавливаться с низким значением емкости перехода, что делает их пригодными для приема цифровых данных с частотами до нескольких гигагерц. Они также генерируют относительно небольшое количество шума темнового тока. Однако они также имеют худшую скорость поглощения фотонов, чем некоторые другие материалы, что снижает их чувствительность.

Хотя кремний может использоваться в широком диапазоне длин волн, от ультрафиолетового (с использованием специально разработанных УФ-версий) до инфракрасных длин волн, кремниевые фотодиоды наиболее полезны в диапазоне от 800 до 900 нм, как показано на рис.2.7.14.

Германиевые фотодиоды

Хотя германий (Ge) был заменен во многих диодных приложениях, он полезен в фотодиодах, поскольку он обеспечивает светочувствительность на длинах волн более 900 нм, где кремний менее чувствителен, а германий дешевле, чем арсенид индия-галлия (InGaAs), что делает его полезен в фотодиодах с большими областями обнаружения (диаметром до 1 см). Однако германиевые фотодиоды обычно имеют более высокий уровень темнового тока и создают сравнительно больше шума, чем кремний или арсенид галлия-индия, уровень шума также увеличивается при более высоких температурах.

Фотодиоды на основе арсенида индия-галлия

Фотодиоды

, использующие арсенид индия-галлия, обеспечивают дополнительную чувствительность в условиях низкой освещенности, особенно на длинах волн в инфракрасной области, по сравнению с кремнием или германием. Они производят менее половины шума и более стабильны в широком диапазоне температур, чем германий.

Начало страницы

Фотодиод: как работает и как использовать в схемах

Gadgetronicx> Электроника> Электронные учебники> Фотодиод: работа и способы использования в схемах