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

описание принципа работы, схема, характеристики, способы применения

Обновлена: 24 Ноября 2022 1312 1

Поделиться с друзьями

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 (то есть незаполненных валентных связей, проявляющих себя как носители положительного заряда, который равен заряду электрона), 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.

Фотодиоды. Виды и устройство. Работа и характеристики

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

Фотодиоды входят в состав многих электронных устройств. Поэтому они и приобрели широкую популярность.

Обычный светодиод – это диод с р-n переходом, проводимость которого зависит от падающего на него света. В темноте фотодиод обладает характеристиками обычного диода.

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

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

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

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

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

Режимы работы

Фотодиоды способны функционировать в следующих режимах:

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

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

КПД солнечных батарей на основе кремния составляет 20%, у пленочных элементов этот параметр значительно больше. Важным свойством солнечных батарей является зависимость мощности выхода к весу и площади чувствительного слоя. Эти свойства достигают величин 200 Вт / кг и 1 кВт/м².

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

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

Виды фотодиодов

Существует несколько различных видов фотодиодов, которые имеют свои достоинства.

p – i – n фотодиод

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

Этот вспомогательный слой значительно снижает емкость запирающего слоя, и не зависит от напряжения. Это расширяет полосу рабочих частот диодов. В результате скорость резко повышается, и частота достигает 10¹⁰ герц. Повышенное сопротивление этого слоя значительно уменьшает ток работы при отсутствии освещения. Чтобы световой поток смог проникнуть через р-слой, он не должен быть толстым.

 

Лавинные фотодиоды

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

1 — омические контакты 2 — антиотражающее покрытие

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

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

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

Принцип действия

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

Характеристики

Свойства таких световых диодов можно описать некоторыми зависимостями.

Вольт-амперная

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

I — ток M — коэффициент умножения U — напряжение

Световая

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

Спектральная

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

Постоянная времени

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

Темновое сопротивление

Это значение сопротивления диода в темноте.

Инерционность

Факторы, влияющие на эту характеристику:

• Время диффузии неравновесных носителей заряда.
• Время прохождения по р-n переходу.
• Период перезарядки емкости барьера р-n перехода.

Сфера применения

Фотодиоды являются основными элементами многих оптоэлектронных приборов.

Интегральные микросхемы (оптоэлектронные)

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

Фотоприемники с несколькими элементами

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

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

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

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

Наиболее влияющими оказались такие факторы:

• Суммарный ток утечек, образующийся путем сложения шумов и тока при отсутствии света.
• Квантовая эффективность, определяющая долю падающих квантов, приводящих к возникновению тока и носителей заряда.

Похожие темы:

• Фоторезисторы. Виды и работа. Применение и особенности
• Фототранзисторы. Устройство и работа. Применение и особенности
• Оптроны. Виды и устройство. Работа и применение. Особенности
• Фотоэлементы. Виды и устройство. Работа и применение

Как работает фотодиод?

Фотодиод – это специальный диод (светоприемное устройство), который преобразует оптические сигналы в электрические. Он имеет p-n переход, а его корпус имеет окно со стеклом для проникновения света. Итак, как он работает и как мы его используем это? Прочитайте эту статью, чтобы найти ответ.

Каталог

 

I Параметры фотодиода

Фотодиод представляет собой специальный диод (светоприемное устройство), который преобразует оптические сигналы в электрические сигналы. Его символ показан на рисунке.

Рис. 1. Обозначение фотодиода

Подобно обычным диодам, его основная структура также представляет собой p-n-переход. Его оболочка имеет окно со стеклом для проникновения света, как показано ниже.

Рис. 2. Структура фотодиода

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

При отсутствии света обратный ток очень мал (обычно менее 0,1 мкА) и называется темновым током. А обратное сопротивление в это время составляет десятки мОм.

При наличии света образуется обратный ток, называемый фототоком. В это время обратное сопротивление фотодиода падает до нескольких кОм.

1. Темновой ток

В режиме фотопроводимости, когда нет света, ток через фотодиод представляет собой темновой ток. Темновой ток в фотодиоде включает ток излучения и ток насыщения перехода полупроводника. Его нужно измерить заранее. Особенно при точном измерении оптической мощности необходимо тщательно учитывать и исправлять погрешность, вызванную темновым током.

2. Время отклика фотодиода

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

3. Эквивалентная мощность шума (NEP)

Эквивалентная мощность шума относится к минимальной оптической мощности, необходимой для генерации фототока, которая равна среднеквадратичному значению мощности шума на частоте 1 Гц. Она примерно равна минимальной обнаруживаемой входной мощности фотодиода.

Родственным свойством является обнаруживаемость (D), которая является обратной величиной эквивалентной мощности шума.

4. Частотная характеристика

В основном определяется тремя факторами:

(1) Время диффузии фотогенерированных носителей вблизи обедненного слоя;

(2)  Время дрейфа фотогенерированных носителей в обедненном слое;

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

II Характеристики фотодиода

1. Вольт-амперные характеристики

Относится к взаимосвязи между фототоком на фотодиоде и приложенным к нему напряжением.

. Наклон кривой световой характеристики называется чувствительностью фотодиода.

3. Спектральные характеристики

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

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

III Типы фотодиодов

1. Фотодиод PN

Особенности: небольшой темновой ток и низкая скорость отклика

Применение: люминометр, цветной фотодиодный датчик, фототранзистор, линейный фотодиодный датчик, спектрофотометр, экспонометр камеры.

2. PIN-код Фотодиод

Особенности: Это своего рода большой темновой фотодиод с низкой пропускной способностью и быстрым откликом фотоэлектрический транзистор, факс.

3. Ключ запуска Фотодиод

Особенности: Использование пленки Au и полупроводникового перехода N-типа вместо полупроводника P-типа

Использование: обнаружение коротковолнового света в виде ультрафиолетовых лучей разновидность фотодиодного детектора слабого света с высокой скоростью отклика

Применение: высокоскоростная оптическая связь, высокоскоростное оптическое обнаружение

IV Как работает фотодиод?

Фотодиод работает по следующему принципу:

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

Количество фотогенерированных носителей ограничено, а количество основных носителей перед светом намного больше, чем количество фотогенерированных носителей. Следовательно, фотогенерированный носитель мало влияет на количество носителей, но большое влияние оказывает количество неосновных носителей. Вот почему фотодиод работает при обратном напряжении, а не при прямом.

Итак, при обратном напряжении в дрейфовом движении участвуют неосновные носители, увеличенные фотогенерированными носителями. В области P фотогенерированные электроны диффундируют к PN-переходу. Если толщина P-области меньше длины диффузии электронов, то большая часть фотогенерированных электронов пройдет через P-область к PN-переходу. То же самое и в районе N.

Рис. 4. Принцип работы фотодиода

Поэтому при производстве фотодиодов PN-переход делается очень мелким, что способствует дрейфу неосновных носителей.

Вообще говоря, работа фотодиода представляет собой процесс поглощения , который преобразует изменение света в обратное изменение тока. Комбинация тока и темнового тока представляет собой фототок, поэтому темновой ток сводится к минимуму, насколько это возможно, для улучшения чувствительности фотодиода к свету.

Интенсивность света пропорциональна фототоку. Чем больше интенсивность света, тем больше обратный ток. Эта характеристика называется фотопроводимостью, а вызванный ею ток называется фототоком.

В Функция фотодиода

Фотодиоды широко используются для:

1. Управление освещением

Фотодиод можно использовать в качестве фотопереключателя, его схема показана на рисунке ниже. При отсутствии света фотодиод VD1 отключается из-за обратного напряжения. Транзисторы VT1 и VT2 также отключены из-за отсутствия тока базы. Реле находится в разомкнутом состоянии.

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

Рисунок 5. Фотодиод для управления светом

2. Прием светового сигнала

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

0006

Специальное применение фотодиода:

1. Фотоэлемент

Фотоэлемент представляет собой PN-переход большой площади. Когда свет излучается на одну поверхность PN-перехода, например на поверхность P-области, если энергия фотона больше, чем запрещенная ширина полосы полупроводникового материала, каждый фотон в P-области будет создавать свободную электронно-дырочную пару.

Рис. 7. Фотоэлемент

Электронно-дырочные пары быстро диффундируют внутрь, и под электрическим полем перехода формируется электродвижущая сила, связанная с интенсивностью света.

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

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

Разница между фотодиодами и фотоэлементами

Фотоэлемент: используется для преобразования энергии. Преимущество: увеличение коэффициента конверсии.

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

They’re different in:

0002 Маленький

	Bias Method	Doping Density(cm)	Resistivity(Ω/cm)	Светлая зона
Photocell	Photocell Null Bias	10 16 – 10 19	0. 1-0.01	Large
Photodiode	Обратный смещение фотодиода	10 12 -10 13	1000		1000		1000

2. Солнечная батарея

Солнечная батарея представляет собой полупроводниковое устройство, как показано на рисунке ниже. При излучении солнечного света на полупроводник часть его отражается, а остальная часть поглощается или проникает в полупроводник.

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

Следовательно, после солнечного света на обоих концах солнечного элемента будет генерироваться постоянное напряжение, тем самым напрямую преобразуя энергии солнечного света в постоянный ток . Если мы приварим металлические выводы к слою P и слою N и подключим нагрузку, ток будет течь по внешней цепи.

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

Рисунок 8. Солнечная батарея

3. Фотоэлектрическая система освещения

Фотоэлектрическая система производства электроэнергии представляет собой систему производства электроэнергии, которая использует солнечные элементы для преобразования солнечной энергии в электрическую. Он использует фотоэлектрический эффект.

Основными компонентами являются солнечные элементы, аккумуляторные батареи, контроллеры и инверторы. Он отличается высокой надежностью, длительным сроком службы, отсутствием загрязнения, независимым производством электроэнергии и работой фотодиодов, подключенных к сети.

Поскольку фотоэлектрический режим фотодиода сильно зависит от внешних факторов окружающей среды, таких как свет и температура, рабочая точка быстро меняется.

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

(1) Независимая фотоэлектрическая система производства электроэнергии

Независимая фотоэлектрическая система производства электроэнергии — это метод производства электроэнергии, не подключенный к электросети. Ему нужны батареи, чтобы запасать энергию на ночь. Автономная солнечная фотоэлектрическая генерация в основном используется в отдаленных деревнях и домах

Рисунок 9. Структурная схема фотоэлектрической системы производства электроэнергии

(2) Сетевая фотоэлектрическая система производства электроэнергии сетка. Ему не нужны батарейки. Жилая фотоэлектрическая система производства электроэнергии в основном находится в домашних хозяйствах. Они также используются для общественных объектов, систем освещения в ночном озеленении и солнечных ферм.

VII Метод обнаружения

1. Метод измерения сопротивления

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

При отсутствии света, если измеренное обратное сопротивление составляет ∞ , диод исправен или имеется большой ток утечки.

При наличии света обратное сопротивление уменьшается с увеличением интенсивности света. Если сопротивление может достигать нескольких кОм; или ниже 1 кОм диод исправен; если обратное сопротивление ∞ или ноль, диод пробит.

2. Метод измерения напряжения

Используйте шестерню “1V” мультиметра. Подключите красный щуп к положительному полюсу фотодиода, а черный щуп к отрицательному полюсу. При освещении напряжение пропорционально интенсивности света, обычно до 0,2–0,4 В.

3. Метод измерения тока короткого замыкания

Используйте шестерню мультиметра «50 мкА». Подсоедините красный щуп к положительному полюсу фотодиода, а черный щуп к отрицательному полюсу. При лампах накаливания (не люминесцентных), если ток короткого замыкания увеличивается с увеличением освещенности, диод исправен. Ток короткого замыкания может достигать десятков и сотен мкА.

Иногда необходимо различать инфракрасные светодиоды и инфракрасные фотодиоды.

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

Рисунок 10. Инфракрасный фотодиод

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

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

 

 

Рекомендуемые артикулы:

Выпрямительный диод: назначение и схема

Что такое лазерные диоды?

Что такое лавинные диоды?

Что такое фотодиод? Рабочие, V-I характеристики, области применения

Краткое описание

Что такое фотодиод?

Датчик света, преобразующий световую энергию в электрическую (напряжение или ток). Фотодиод представляет собой тип полупроводникового устройства с PN-переходом. Между p (положительным) и n (отрицательным) слоями находится внутренний слой. Фотодиод принимает световую энергию в качестве входа для генерации электрического тока.

Его также называют фотодетектором, фотодатчиком или детектором света. Фотодиод работает в режиме обратного смещения, т.е. p-сторона фотодиода подключена к отрицательной клемме батареи (или источника питания), а n-сторона к положительной клемме батареи.

Типичными фотодиодными материалами являются кремний, германий, индий-галлий-арсенид-фосфид и индий-галлий-арсенид.

Фотодиод имеет внутри оптические фильтры, встроенную линзу и поверхность. Когда площадь поверхности фотодиода увеличивается, это приводит к меньшему времени отклика. Немногие фотодиоды будут выглядеть как светоизлучающие диоды (LED). Он имеет два терминала, как показано ниже. Меньшая клемма действует как катод, а более длинная клемма действует как анод.

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

Работа фотодиода

Обычно при освещении PN-перехода светом ковалентные связи ионизируются. При этом образуются пары дырок и электронов. Фототоки образуются за счет генерации электронно-дырочных пар. Электронно-дырочные пары образуются, когда на диод попадают фотоны с энергией более 1,1 эВ. Когда фотон входит в обедненную область диода, он поражает атом с высокой энергией. Это приводит к высвобождению электрона из структуры атома. После высвобождения электронов образуются свободные электроны и дырки.

Обычно электрон имеет отрицательный заряд, а дырка — положительный. Энергия истощения будет иметь встроенное электрическое поле. Благодаря этому электрическому полю электронно-дырочные пары удаляются от соединения. Следовательно, дырки движутся к аноду, а электроны движутся к катоду, создавая фототок.

Интенсивность поглощения фотонов и энергия фотонов 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.

Читайте также «Различные типы датчиков»

Режимы работы фотодиода

Фотодиод работает в трех различных режимах. Это:

• Фотогальванический режим
• Фотопроводящий режим
• Режим лавинного диода

Давайте кратко рассмотрим эти режимы.

Фотогальванический режим

Этот режим также называется режимом нулевого смещения. Когда фотодиод работает в низкочастотных приложениях и приложениях сверхвысокого уровня освещенности, этот режим является предпочтительным. Когда фотодиод облучается вспышкой света, создается напряжение. Создаваемое напряжение будет иметь очень маленький динамический диапазон и нелинейную характеристику. Когда фотодиод сконфигурирован с OP-AMP в этом режиме, будет очень меньше изменений в зависимости от температуры.

Режим фотопроводимости

В этом режиме фотодиод работает в режиме обратного смещения. Катод будет положительным, а анод отрицательным. При увеличении обратного напряжения увеличивается и ширина обедненного слоя. Благодаря этому время отклика и емкость перехода будут уменьшены. Сравнительно этот режим работы является быстрым и производит электронный шум.

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

Режим лавинного диода

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

Подключение фотодиода во внешней цепи

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

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

V-I Характеристики фотодиода

Фотодиод работает в условиях обратного смещения. Обратные напряжения отложены по оси X в вольтах, а обратный ток отложен по оси Y в микроамперах. Обратный ток не зависит от обратного напряжения. При отсутствии светового освещения обратный ток будет практически равен нулю. Минимальное количество текущего настоящего называется темным током. Однажды, когда световая освещенность увеличивается, обратный ток также увеличивается линейно.

Применение фотодиодов

• Фотодиоды используются во многих простых повседневных приложениях.