Принцип действия фотодиода: описание принципа работы, схема, характеристики, способы применения

Содержание

описание принципа работы, схема, характеристики, способы применения

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

Принцип работы фотодиодов

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

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

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

Схема фотодиода

Режимы работы

Фотодиоды разделяют по режиму функционирования.

Режим фотогенератора

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

Более прогрессивными являются пленочные элементы.

Режим фотопреобразования

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

Основные параметры

Свойства фотодиодов определяют следующие характеристики:

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

Из чего состоит фотодиод?

Разновидности фотодиодов

P-i-n

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

Лавинные

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

С барьером Шоттки

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

С гетероструктурой

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

Области применения фотодиодов

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

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

Была ли статья полезна?

Да

Нет

Оцените статью

Что вам не понравилось?

Другие материалы по теме

Анатолий Мельник

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

принцип работы, схемы и т.д.

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

Схема фотодиода

Обратите внимание на основы электричества и на приборы электроники.

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

Фотопроводящие диоды

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

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

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

Фотоэлектрические диоды

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

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

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.

Датчики и сенсоры онлайн журнал

Фотодиоды — это полупроводниковые оптические датчики. Это понятие включает в себя даже солнечные батареи. Однако в этом сайте вопросы преобразования мощности рассматриваться не будут. В упрощенном виде принцип действия фотодиодов можно описать следующим образом. При воздействии излучения соответствующей частоты на прямо смещенный р-n переход (в котором положительный вывод батареи подключен к зоне р), ток через фотодиод возрастет незначительно по сравнению с темновым током. Другими словами, ток смещения в этом случае будет намного превышать ток, генерируемый светом. При обратном смещении р-n перехода (рис. 14.3) ток возрастает очень сильно. Столкновение фотонов с поверхностью фотодиода приводит к образованию пар электрон-дырка на обоих концах перехода. Вольтамперную характеристику фотодиода можно описать выражением:

Объединяя уравнения получим выражение: полностью описывающее работу фотодиода. Эффективность прямого преобразования оптической мощности в электрический сигнал всегда низкая. Обычно она лежит в пределах 5…10%, однако, в 1992 появилось сообщение о разработке фотоэлементов, обладающих эффективностью порядка 25%. Правда, при проектировании сенсоров фотоэлементы, как правило, не используются. Вместо этого для повышения эффективности фотодиодов между р и п зонами диода вводят дополнительный слой, обладающий высоким удельным сопротивлением (I-слой). Такие диоды называются PIN-фотодиодами (рис.

14.5). Глубина, на которую фотон может проникать внутрь фотодиода, определяется его длиной волны. От значения этой величины зависит спектральная характеристика детектора (рис. 14.2). Рис. 14.5. Структура PIN фотодиода, подсоединенного к преобразователю ток-напряжение В зависимости от назначения и конструкции все фотодиоды можно разделить на следующие подгруппы: 1. PN фотодиоды, На внешнюю поверхность этих диодов наносится слой из Si02 (рис. 14.6А). Такие фотодиоды обладают низким уровнем темнового тока. Для увеличения быстродействия диодов увеличивают обедненную зону, что позволяет снизить емкость перехода (рис. 14.6Б). Для улучшения чувствительности диодов к УФ излучению снижают толщину р-слоя. На рис. 14.6В отображен планар-ный диффузионный фотодиод имеющий низкую чувствительность к ИК излучению. Однако при уменьшении длины волны его чувствительность значительно возрастает; это объясняется тем, что толстый низкорезистивный слой п+ кремния передвигает границу пп+ слоя ближе к обедненной зоне.

2. PIN фотодиоды (рис. 14.6Г). Они являются улучшенной версией планар-ных диффузионных диодов с низкой емкостью. В них для увеличения быстродействия между р и п слоями формируется дополнительный /слой, обладающий высоким удельным сопротивлением. При обратном смещении перехода такие устройства работают даже лучше. PIN имеют низкий ток утечки и высокое напряжение пробоя. 3. фотодиоды Шотки (рис. 14.6Д). В них на n-слой напыляется тонкий слой золота, позволяющий реализовать барьер Шотки. Из-за маленького расстояния между внешней поверхностью и барьером чувствительность к УФ излучению таких диодов очень высокая. 4. Лавинные фотодиоды (рис. 14.6Е). Свое название эта группа диодов получила из-за следующего явления: Если к р-n переходу приложено обратное напряжение, в обедненной зоне возникает сильное поле Это поле заставляет фотоны двигаться с крупным ускорением, в результате чего их столкновение с атомами приводит к образованию вторичных носителей зарядов, которые также ускоряются и выбивают из атомов новые электроны и т.д. Благодаря такому лавинному процессу, ток через фотодиод значительно возрастает. Такие устройства работают как усилители, что делает их незаменимыми при детектировании очень низких уровней светового излучения. Рис. 14.6. Упрощенные структуры шести типов фотодиодов Рис. 14.7. Фотоэлектрический режим работы фотодиода: А — способ подключения диода к неин-вертирующему усилителю, Б — эквивалентная схема, В — нагрузочная характеристика. Существуют два основных режима работы фотодиодов: фотоэлектрический и фотопроводящий. В первом случае к фотодиоду не прикладывается никакого напряжения смещения. Это приводит к отсутствию темнового тока, поэтому здесь присутствует только тепловой шум. Такой режим дает возможность получить наи-учшую чувствительность при низких уровнях излучения. Однако из-за увеличения емкости перехода ухудшаются быстродействие диода и чувствительность к излучениям длинных длин волн. На рис. 14.7А отображено включение фотодиода для работы в фотоэлектрическом режиме. Здесь диод выполняет роль токового генератора, вырабатывающего ток / (рис. 14.7Б). Нагрузочный резистор Rb, стоящий на входе ОУ, определяет напряжение на выводах фотодиода и наклон нагрузочной характеристики (рис. 14.7В). В быстродействующих устройствах использование фотодиода в фотоэлектрическом режиме невозможно (из-за его большой емкости перехода С). При работе фотодиода с резистивной нагрузкой, как отображено на рис. 14.7А, его полоса пропускания ограничивается, в основном, внутренней емкостью С. Фотодиод, фактически, является источником тока, а резистор R, обладающий крупным сопротивлением, и емкость перехода шунтируют его. Значение емкости С в зависимости от площади фотодиода лежит в интервале 2…20000 пФ. Параллельно ей подключена входная емкость ОУ (на рисунке не отображена), поэтому общая емкость Сравна сумме двух емкостей. Сопротивлением диода, как правило, можно пренебречь, поскольку оно почти всегда гораздо ниже нагрузочного сопротивления Rb, поэтому RL*=Rb-Частотная характеристика схемы определяется ее входными цепями. Частота излома АЧХ и выходное напряжение определяются выражениями [4]: Из этих выражений видно, что при расчете такой схемы всегда приходится искать компромисс между коэффициентом усиления и полосой пропускания. Это связано, с тем увеличение Rb приводит, с одной стороны, к росту коэффициента усиления, а, с другой стороны, к уменьшению частоты/ Это противоречие возникает из-за того, что напряжение сигнала подается не только на резистивную нагрузку, но и на входную емкость С = С+Соу Поэтому желательно разработать такую схему включения фотодиода, в той напряжение поступало бы только на резистор и не заряжало бы емкости. Вариант такой схемы отображен на рис. 14.8А. По своей сути эта схема является линейным преобразователем тока в напряжение. ОУ при помощи резистора ОС RL преобразует ток диода в выходное напряжение. Конденсатор CL введен в схему для компенсации сдвига фаз. В идеальном усилителе напряжения на обоих входах ОУ должны иметь одинаковые значения, поэтому при таком включении инвертирующий вход иногда называется виртуальной землей. Таким образом, в этой схеме фотодиод работает при нулевом напряжении на его выводах, что позволяет предотвратить заряд конденсатора и улучшить линейность преобразователя. Поскольку наклон линии обратно пропорционален коэффициенту усиления А ОУ с разомкнутой ОС, нагрузочная линия должна виртуально совпадать с осью тока. Это проиллюстрировано на рис. 14.7Б. Рис. 14.8. Применение преобразователя тока в напряжение (А) и АЧХ двух схем включения фотодиодов (Б) Однако на практике из-за большого, но конечного значения коэффициента усиления ОУ на выводах диода появляется небольшое напряжение. Такая индуктивная нагрузка и емкость входной цепи образуют колебательный контур с резонансной частотой/ (рис. 14.8Б), наличие того может на определенных частотах привести к возникновению колебаний выходного сигнала (рис. 14.9) нестабильности работы схемы. Для повышения стабильности схемы в цепь ОС параллельно резистору ставят компенсационный конденсатор CL. Величина этого конденсатора определяется при помощи выражения:
При использовании фотодиодов для детектирования низких уровней света необходимо внимательно рассчитывать шумовой порог. В фотодиодах основными являются два типа шумов: дробовой шум и шум Джонсона (см. раздел 5.9 главы 5). Также надо учитывать шумы ОУ и его навесных элементов. При работе фотодиода в фотопроводящем режиме на него подается обратное напряжение смещения. Это ведет к расширению обедненной зоны, снижению емкости перехода, уменьшению последовательного сопротивления, сокращению времени нарастания сигнала и формированию линейной зависимости фототока от интенсивности излучений в широком диапазоне измеряемых значений. При попадании электронов в зону проводимости, они начинают лететь в сторону положительного полюса батарей. Соответственно, созданный поток дырок направляется к отрицательному полюсу. Это означает появление в цепи фотодиода тока i . В темноте ток утечки не зависит от приложенного напряжения, а причиной его возникновения является тепловая генерация носителей зарядов. На рис. 14.4А отображена эквивалентная электрическая схема обратно смещенного фотодиода, состоящая из двух источников тока и цепи. Процесс оптического детектирования заключается в прямом преобразовании оптической энергии (в виде потока фотонов) в электрический сигнал (поток электронов). Если вероятность того, что фотон, обладающий энергией hv, выбьет с поверхности детектора электрон, средняя скорость формирования электронов определяется выражением. Рис. 14.3. Структура фотодиода где Р — оптическая мощность падающих лучей. При постоянной средней скорости формирования электронов вследствие воздействия на поверхность детектора потока фотонов, этот процесс носит случайный характер и подчиняется статистическому закону Пуассона. Поэтому вероятность образования т электронов в течение интервала измерения г находится при помощи формулы: Рис. 14.4. А — эквивалентная схема фотодиода, Б — его воль-тамперная характеристика Статистические соотношения используются для определения минимального уровня детектирования сигнала, а, значит, и для нахождения чувствительности датчика. Однако, рекомендуется отметить, что электрический ток пропорционален оптической мощности падающего на детектор излучения: где е — заряд электрона. Изменение входной мощности на АР (к примеру, из-за модуляции интенсивности в датчике) приводит к изменению выходного тока на А. Поскольку мощность пропорциональна квадрату тока, выходная электрическая мощность детектора связана с входной оптической мощностью квадратичной зависимостью, поэтому фотодиоды иногда называют квадратичными преобразователями. На рис. 14.4Б отображена вольтамперная характеристика типового фотодиода. Если к диоду при разомкнутой цепи подключить вольтметр, обладающий высоким входным импедансом, можно увидеть, что при увеличении оптической мощности, напряжение меняется по нелинейной (логарифмической) зависимости. При коротком замыкании цепи (V= 0), когда диод подключается к преобразователю ток-напряжение — ток связан с оптической мощностью линейной зависимостью. Поэтому частота излома АЧХ, на самом деле, определяется как: где А — коэффициент усиления ОУ с разомкнутой ОС. Очевидно, что в этой схеме частота излома АЧХ увеличичивается по сравнению с/, в А раз. рекомендуется отметить, что с ростом частоты коэффициент усиления А падает, а виртуальная нагрузка фотодиода становится индуктивной. Это происходит из-за фазового сдвига коэффициента усиления А. В большей части эффективного частотного диапазона усилителя коэффициенте имеет отставание по фазе, равное 90°. Когда усилитель инвертирует фазу на 180°, фазовое отставание коэффициента А превращается в опережение на 90°, что характерно для индуктивного импеданса. Однако при увеличении обратного смещения возрастает темновой ток, что ведет к усилению дробового шума. На рис. 14.10А отображена схема включения фотодиода для работы в фотопроводящем режиме, а на рис. 14.10 Б приведена нагрузочная характеристика диода. Обратное смещение фотодиода сдвигает нагрузочную линию в третий квадрант, где линейность вольтам-перной характеристики выше, чем при работе в фотоэлектрическом режиме. Линия нагрузки пересекает ось напряжений в точке, соответствующей напряжению смещения Е, а ее наклон обратно пропорционален коэффициенту усиления ОУ Рис. 14.9. Выходной сигнал фотодиода без использования компенсационной цепи.
Верхний предел полосы пропускания фотодиода в фотопроводящем режиме достигает сотен мегагерц, что сопровождается увеличением отношения сигнал/шум. Рис. 14.10. Фотопроводящий режим работы фотодиодов: А — схема, Б — нагрузочная характеристика
.

Список тем Назад Вперед

Информация исключительно в ознакомительных целях. При использовании материалов этого сайта ссылка обязательна.Правообладатели статей являются их правообладателями.

По вопросам размещения статей пишите на email:

[email protected]

Фотодиод принцип действия, классификация, применение Электро…

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

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

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

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

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

Рис. 1

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

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

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

Описание

обозначение на схемах

Структурная схема фотодиода.

1 — кристалл полупроводника;

2 — контакты;

3 — выводы;

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

внешний вид фотодиодов

эквивалентная схема фотодиода

Классификация фотодиодов

В p-i-n-структуре средняя i-область заключена между двумя областями противоположной проводимости. При достаточно большом напряжении оно пронизывает i-область, и свободные носители, появившееся за счет фотонов при облучении, ускоряются электрическим полем p-n-переходов. Это дает выигрыш в быстродействии и чувствительности. Повышение быстродействия в p-i-n-фотодиоде обусловлено тем, что процесс диффузии заменяется дрейфом электрических зарядов в сильном электрическом поле. Уже при Uобр ≈ 0,1 В p-i-n-фотодиод имеет преимущество в быстродействии.

Достоинства:

1) есть возможность обеспечения чувствительности в длинноволновой части спектра за счет изменения ширины i-области.

2) высокая чувствительность и быстродействие

3) малое рабочее напряжение Uраб

Недостатки:

сложность получения высокой чистоты i-области

Фотодиод Шоттки (фотодиод с барьером Шоттки)
Структура металл- полупроводник . При образовании структуры часть электронов перейдет из металла в полупроводник p-типа.
Лавинный фотодиод

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

Для реализации лавинного умножения необходимо выполнить два условия:

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

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

Значение коэффициентов внутреннего усиления составляет M = 10—100 в зависимости от типа фотодиодов.
Фотодиод с гетероструктурой
Гетеропереходом называют слой, возникающий на границе двух полупроводников с разной шириной запрещенной зоны. Один слой р+ играет роль «приемного окна». Заряды генерируются в центральной области. За счет подбора полупроводников с различной шириной запрещенной зоны можно перекрыть весь диапазон длин волн. Недостаток — сложность изготовления.

Принцип работы:

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

Фотодиод может работать в двух режимах:

фотогальванический — без внешнего напряжения
фотодиодный — с внешним обратным напряжением

Особенности:

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

Основные характеристики фотодиодов

–

Рис. 2

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

(1)

или

(мА-Вт-1) (2)

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

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

(3)

(4)

где UВЫХ – изменение выходного напряжения; RН – сопротивление нагрузки.

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

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

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

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

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

Рис. 3

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

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

Рис. 4

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

Рис. 5

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

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

Рис.6

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

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

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

(5)

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

При этом квантовый выход определяется соотношением:

Рис. 7

(6)

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

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

Рис. 8

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

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

Применение фотодиодов

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

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

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

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

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

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

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

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

Фотодиоды и фотопроводники

Фотодиоды. Принцип действия

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

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

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

Терминология

Чувствительность

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

Режим работы

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

Режим фотопреобразователя

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

Режим фотогенератора

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

Темновой ток

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

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

Материал	Темновой ток	Скорость	Спектральный диапазон	Стоимость
Силикон (Si)	Низкий	Высокая	От видимого диапазона до ближней ИК	Низкая
Германий (Ge)	Высокий	Низкая	Ближняя ИК область	Низкая
Фосфид галлия (GaP)	Низкий	Высокая	От УФ до видимой области	Варьируется
Арсенид галлия (InGaAs)	Низкий	Высокая	Ближняя ИК область	Варьируется
Антимонид арсенида индия (InAsSb)	Высокий	Низкая	От ближней до средней ИК области	Высокая
Энзимы арсенида галлия (InGaAs)	Высокий	Высокая	Ближняя ИК область	Высокая
Теллурид кадмия ртути (MCT, HgCdTe)	Высокий	Низкий	От ближней до средней ИК области	Высокая

Емкость перехода

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

Ширина полосы пропускания и отклик

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

Эквивалентная мощность шумов

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

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

Термическое сопротивление

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

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

Шунтирующее сопротивление

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

Последовательное сопротивление

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

Общие принципы работы

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

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

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

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

Влияние на частоту модуляции

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

Детектор будет проявлять меньшую чувствительность на более низких частотах модуляции.

Частота и обнаружение максимальны при:

PbS – и PbSe – фотокондуктивные детекторы

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

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

Принцип действия

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

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

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

Частотный отклик

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

Здесь fc – частота модуляции, R₀ – отклик при нулевой частоте, τ_r – время нарастания импульса детектора.

Влияние на частоту модуляции

Детектор будет проявлять меньшую чувствительность на более низких частотах модуляции.

Частота и обнаружительная способность максимальны при:

Температурная устойчивость

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

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

Схема фотопроводника с усилителем

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

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

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

Выходное напряжение вычисляется следующим образом:

Рисунок 5. Feedback resistor – резистор обратной связи

Отношение сигнал/шум

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

Эквивалентная мощность шумов

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

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

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

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

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

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

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

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

Принцип – действие – фотодиод

Cтраница 1

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. [2]

Принцип действия фотодиодов и фототранзисторов не отличается от принципа действия солнечных батарей. [3]

Принцип действия фотодиода в фотогальваническом режиме основан на фотогальваническом эффекте. При освещении полупроводника фотоны проникают в него и создают значительное количество дырок и электронов, причем большая часть фотонов поглощается в наружном слое р-п-перехода. В результате создается неравновесная концентрация дырок и электронов, вследствие чего возникает диффузионное перемещение их вглубь к / 7-л-переходу. [4]

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. [6]

Принцип действия фотодиодов основан на внутреннем фотоэффекте, состоящем в генерации под действием света электронно-дырочных пар в р-п переходе, в результате чего увеличивается концентрация основных и неосновных носителей заряда в его объеме. Обратный ток фотодиода определяется концентрацией неосновных носителей и, следовательно, интенсивностью облучения. Вольт-амперные характеристики фотодиода ( рис. 57, а) показывают, что каждому значению светового потока Ф соответствует определенное значение обратного тока. Такой режим работы прибора называют фотодиодным. [7]

Принцип действия фотодиода на основе выпрямляющего контакта металл – полупроводник аналогичен принципу действия фотодиода с р – – 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. 10.7), обеспечивая тем самым возникновение фототока. [8]

Принцип действия фотодиода ( рис. 82) основан на возрастании обратного тока р-я-перехода при его освещении. [9]

Чем различаются принципы действия фотодиодов и солнечных батарей. [10]

В основе принципа действия фотодиодов лежит использование явления возникновения электродвижущей силы в месте контакта двух веществ при их освещении. Явление фотоэффекта запирающего слоя открыто в 1876 г. У. [12]

В основе принципа действия фотодиода лежит свойство полупроводников образовывать электронно-дырочные пары при воздействии на него света с энергией фотона, превышающей ширину запрещенной зоны полупроводника. На рис. 12.1 представлено распределение токов в освещаемой р-п структуре при включении ее в обратном направлении. При отсутствии освещения через структуру протекает темповой ток, равный току насыщения / s обратносмещен-ного р-п перехода. При воздействии света с энергией фотона, превышающей ширину запрещенной зоны полупроводника, в р – и п – слоях структуры генерируются электронно-дырочные пары. [14]

Страницы: 1 2

Что такое фотодиод? Работа, характеристики, применение

Что такое фотодиод?

Это форма легкого датчика, который преобразует световую энергию в электрическое напряжение или ток. Фотодиод – это полупроводниковый прибор с PN переходом. Между слоями p (положительный) и n (отрицательный) присутствует внутренний слой. Фотодиод принимает световую энергию в качестве входа для выработки электрического тока.

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

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

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

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

Работа фотодиода

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

Как правило, электрон имеет отрицательный заряд, а дырки – положительный.Энергия истощения будет построена в электрическом поле. Из-за этого электрического поля электронно-дырочные пары удаляются от перехода. Следовательно, дырки перемещаются к аноду, а электроны перемещаются к катоду, создавая фототок. Интенсивность поглощения фотона и энергия фотона прямо пропорциональны друг другу. Когда энергия фотографий меньше, поглощение будет больше. Весь этот процесс известен как внутренний фотоэлектрический эффект.

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

Также прочтите « различных типов датчиков »

Режимы работы фотодиода

Фотодиод работает в трех различных режимах, а именно: фотоэлектрический режим, фотопроводящий режим и режим лавинного диода.

Фотоэлектрический режим

Это иначе называется режимом нулевого смещения. Этот режим является предпочтительным, когда фотодиод работает с низкочастотными приложениями и сверхяркими световыми приборами.Когда фотодиод освещается вспышкой света, возникает напряжение. Создаваемое напряжение будет находиться в очень маленьком динамическом диапазоне и имеет нелинейную характеристику. Когда фотодиод настроен с OP-AMP в этом режиме, будет очень меньше изменений в зависимости от температуры.

Режим фотопроводимости

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

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

Режим лавинного диода

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

Подключение фотодиода к внешней цепи

Фотодиод работает по схеме с обратным смещением. Анод подключен к земле цепи, а катод – к положительному напряжению питания схемы. При освещении светом ток течет от катода к аноду.

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

Характеристики V-I фотодиода

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

Применение фотодиода

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

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

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

На рисунке ниже показано символическое изображение фотодиода:

Принцип фотодиода

Работает по принципу Фотоэлектрический эффект .

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

Конструкция фотодиода

На рисунке ниже показаны детали конструкции фотодиода:

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

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

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

Режимы работы фотодиода

Фотодиод в основном работает в двух режимах:

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

Давайте теперь разберемся с подробным устройством схемы и работой фотодиода.

Работа фотодиода

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

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

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

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

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

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

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

Это движение вызывает сильный обратный ток через устройство.

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

Этот ток затем используется для управления другими цепями системы.

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

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

Характеристики фотодиода

На рисунке ниже показана характеристика VI фотодиода:

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

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

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

На рисунке ниже показана кривая тока в зависимости от освещенности:

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

Преимущества фотодиода

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

Недостатки фотодиода

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

Применение фотодиода

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

В случае типичного фотодиода нормальный обратный ток составляет десятки микроампер.

Фотодиод

Принцип работы »Электроника

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

Учебное пособие по фотодиоду Включает:
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 различных 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 базовое 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 останутся свободными и будут унесены 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 сместить электрон. Таким образом образуется пара дырка-электрон. Дырка и электрон затем будут мигрировать в противоположных направлениях под действием электрического поля через внутреннюю область, и можно увидеть, как течет небольшой ток.Обнаружено, что величина тока пропорциональна количеству света, попадающего во внутреннюю область. Чем больше света, тем большее количество пар дырочных электронов генерируется и тем больше протекает ток.

Рабочие диоды с обратным смещением 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. Следовательно, можно построить солнечный элемент, используя большое количество отдельных фотодиодов.Также, когда фотодиоды используются в солнечном элементе, 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 характеристике V-I, 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 наблюдаются 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 перемещаются 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 электронов.

Лавинный фотодиод имеет ряд отличий от обычного PIN-диода. Лавинный процесс означает, что один электрон, произведенный 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. Вокруг p-n перехода требуется защитное кольцо n-типа, 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 Полевой транзистор Типы памяти Тиристор Разъемы Разъемы RF Клапаны / трубки Аккумуляторы Переключатели Реле
Вернуться в меню «Компоненты».. .

ОСНОВЫ ФОТОДИОДОВ – волновая электроника

Что такое фотодиод?

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

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

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

Рис. 1. Поперечное сечение фотодиода P-N

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

Ключевые рабочие характеристики

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

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

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

Типы фотодиодов

СОЕДИНЕНИЕ P-N

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

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

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

PIN ФОТОДИОД

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

Емкость перехода уменьшилась, и поэтому скорость фотодиода увеличилась. Увеличенный слой также обеспечивает больший объем преобразования фотонов в электронно-дырочные и более высокую квантовую эффективность.

Рис. 2. Поперечное сечение контактного фотодиода

Фотодиоды

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

ФОТОДИОД ЛАВИНЫ

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

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

Рис. 3. Поперечное сечение APD

Режимы работы

РЕЖИМ «ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ» БЕЗ СЦЕПЛЕНИЯ

Фотодиоды

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

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

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

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

РЕЖИМ «ФОТОПРОВОДНИК» ОБРАТНОЕ СМЕЩЕНИЕ

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

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

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

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

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

На рисунке 4 показан участок обратного смещения (синий) с напряжением пробоя рядом с ним (красный).Фотодиоды не должны работать сверх напряжения пробоя. Это повредит фотодиод.

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

Интеграция с лазерным диодом

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

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

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

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

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

Сводка

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

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

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

Таблица 1. Сравнительная таблица

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

Принцип работы фотодиода

| Оптоэлектронные компоненты | Светодиоды, Лазерные Диоды и Детекторы

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

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

ОСНОВНАЯ ФИЗИКА ФОТОДИОДОВ

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

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

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

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

Серия

I _D	=	Темновой ток, А
I _S	=	Ток светового сигнала (I _S = RP _O)
R	=	Чувствительность фотодиода на длине волны излучения, Ампер / Вт
P _O	=	Мощность света, падающая на активную область фотодиода, Вт
R _SH	=	Сопротивление шунта, Ом
I * _N	=	Шумовой ток, А (действующее значение)
С	=	Емкость перехода, Фарады
R _S	=	Сопротивление, Ом
правый _левый	=	Сопротивление нагрузки, Ом

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

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

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

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

от 500 до 700 нм: ~ 0% / ° C

~ 900 нм: 0,1% / ° C

1064 нм: от 0,75% / ° C до 0,9% / ° C

РЕЖИМЫ РАБОТЫ

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

Фотодиоды

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

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 электрическую энергию. 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. При этом материал P-типа формируется путем 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 сделаны 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 возрастать и обратный ток. То же самое условие может быть получено 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.

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.
Фотоэлектрический: Когда диод работает без обратного смещения, говорят, что он работает в фотоэлектрическом режиме. Когда обратное смещение устранено, носители заряда перемещаются по переходу. 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, таким образом, в этом состоянии они ведут себя как ячейка напряжения, имеющая N-тип как отрицательный вывод и P-тип как положительный вывод.Таким образом, фотодиод можно использовать как фотопроводящее устройство или фотоэлектрическое устройство.

Характеристики V-I 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 обозначается I _0. Он изменяется линейно с интенсивностью фотонов, падающих на поверхность диода.Ток при большом обратном смещении представляет собой сумму 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

Обратный ток составляет несколько десятков микроампер.
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

Используется для обнаружения как видимых, так и невидимых световых лучей.
Фотодиоды используются в системе связи для кодирования и демодуляции.
Он также используется для цифровых и логических схем, которые требуют быстрого переключения и высокоскоростной работы.
Эти диоды также находят применение в технологиях распознавания символов и схемах дистанционного управления через ИК-порт.

Фотодиоды считаются одним из важных оптоэлектронных устройств, широко используемых в волоконно-оптических системах связи.

Основы работы с фотодиодами и их применение

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

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

Фотодиод Symbol

Как работает фотодиод?

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

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

Hv> Например,

Энергия фотона> Энергия запрещенной зоны

Фотодиоды могут работать в следующих режимах:

Фотоэлектрический режим

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

Фотопроводящий режим

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

V-I Характеристика фотодиода

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

E4> E3> E2> E1

(Изображение предоставлено Викимедиа.org)

Преимущества фотодиодов

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

Применение фотодиода

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

Фотодиод, используемый в качестве светочувствительного элемента. Поскольку ток в нем прямо пропорционален интенсивности света, он также используется для измерения интенсивности света.
Мы можем использовать фотодиод в детекторах дыма для обнаружения дыма и огня.
Фотодиод в сочетании со светодиодами для изготовления оптоизоляторов и оптронов
Используется в солнечной панели как солнечные элементы
Используется в сканере штрих-кода, распознавании символов
Используется в системе обнаружения препятствий,
Может использоваться в принтерах в качестве счетчика страниц и наличия страниц
Используется для обнаружения приближения, оксиметров
Также используется в оптических кодерах и декодерах
Оптическая передача сообщений, связь по оптоволокну
Датчик положения

Чтобы прочитать другие интересные статьи об Основах:

щелкните здесь .

Принцип действия фотодиода: описание принципа работы, схема, характеристики, способы применения

описание принципа работы, схема, характеристики, способы применения

Принцип работы фотодиодов

Схема фотодиода

Режимы работы

Основные параметры

Из чего состоит фотодиод?

Разновидности фотодиодов

Области применения фотодиодов

Была ли статья полезна?

Другие материалы по теме

принцип работы, схемы и т.д.

Фотопроводящие диоды

Фотоэлектрические диоды

Фотодиод – chipenable.ru

Датчики и сенсоры онлайн журнал

Фотодиод принцип действия, классификация, применение Электро…

Описание

Классификация фотодиодов

Принцип работы:

Применение фотодиодов

Фотодиоды и фотопроводники

Принцип – действие – фотодиод

Принцип – действие – фотодиод

Что такое фотодиод? Работа, характеристики, применение

Что такое фотодиод?

Работа фотодиода

Режимы работы фотодиода

Фотоэлектрический режим

Режим фотопроводимости

Режим лавинного диода

Подключение фотодиода к внешней цепи

Характеристики V-I фотодиода

Применение фотодиода

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

Принцип фотодиода

Конструкция фотодиода

Режимы работы фотодиода

Работа фотодиода

Характеристики фотодиода

Преимущества фотодиода

Недостатки фотодиода

Применение фотодиода

Принцип работы »Электроника

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

Основы теории работы фотодиода

Работа фотодиода PIN / PN

Срабатывание лавинного диода

ОСНОВЫ ФОТОДИОДОВ – волновая электроника

Что такое фотодиод?

Ключевые рабочие характеристики

Типы фотодиодов

СОЕДИНЕНИЕ P-N

PIN ФОТОДИОД

ФОТОДИОД ЛАВИНЫ

Режимы работы

РЕЖИМ «ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ» БЕЗ СЦЕПЛЕНИЯ

РЕЖИМ «ФОТОПРОВОДНИК» ОБРАТНОЕ СМЕЩЕНИЕ

Интеграция с лазерным диодом

Сводка

| Оптоэлектронные компоненты | Светодиоды, Лазерные Диоды и Детекторы

Что такое фотодиод? – Конструкция, работа и применение

Конструкция фотодиода

Принцип работы фотодиода

Режимы работы фотодиода

Характеристики V-I фотодиода

Преимущества фотодиодов

Недостатки фотодиодов

Применение фотодиодов

Основы работы с фотодиодами и их применение

Как работает фотодиод?

Фотодиоды могут работать в следующих режимах:

Фотоэлектрический режим

Фотопроводящий режим

V-I Характеристика фотодиода

Преимущества фотодиодов

Применение фотодиода

Чтобы прочитать другие интересные статьи об Основах:

Больше новостей

Добавить комментарий Отменить ответ