Фотодиод это: принцип работы, виды, основные характеристики, схемы

Принцип работы фотодиодов

В основе действия фотодиодных элементов лежит внутренний фотоэффект. Он заключается в появлении в полупроводнике под действием светового потока электронов и неравновесных дырок (т.е атомов с пространством для электронов), которые образуют фотоэлектродвижущую силу.

• При попадании света на pn переход кванты света поглощаются с образованием фотоносителей
• Фотографические носители, расположенные в области n, приближаются к границе, где они разделяются под действием электрического поля
• Дырки перемещаются в p-зону, а электроны собираются в n-зоне вблизи границы
• Дырки положительно заряжают p-зону, а электроны отрицательно заряжают n-зону. Разность потенциалов образуется
• Чем больше освещение, тем больше обратный ток

Если полупроводник находится в темноте, его свойства аналогичны обычному диоду. Если поиграть тестером при отсутствии засветки, результаты будут аналогичны тестированию обычного диода. В прямом направлении будет небольшое сопротивление, в обратном направлении стрелка останется на нуле.

Варианты, типы фотодетекторов

Инфракрасный фотодиод выполнен в черном корпусе и реагирует только на инфракрасное излучение. Темный цвет линзы — это своего рода тонирование фильтра, чтобы не срабатывать на других спектрах.

Фотоприемники имеют частотный диапазон, здесь он на порядки больше, до 10 МГц (намного больше, чем у фоторезисторов), что обеспечивает отличные характеристики. Для штыревых вариантов и с барьером Шоттки этот показатель составляет 100 МГц — 1 ГГц, для лавинных — 1-10 ГГц.

Далее будут рассмотрены типы фотодиодов по принципу действия, вариантам комбинирования, расположению слоев, материалам.

Фотодиод p-i-n

Элементы штыревого типа очень популярны в волоконно-оптических системах связи: они преобразуют свет в электрические сигналы, которые затем преобразуются в информацию (видео, звук и т.д.)

Промежуточные слои пера создаются путем легирования: в полупроводниковый материал добавляются примеси, которые усиливают его. Если в обозначении такой детали стоит +, то это говорит об увеличении содержания добавки.

Средний сегмент — часть «i» — это проводник «n», но слегка легированный. Если приложить обратное напряжение, там образуется обедненная позиция (меньше дырок / электронов).

Сопротивление на i-м сегменте растет, намного выше, чем на p + en +. Результат этого процесса: электрическое поле сосредоточено в области i, поглощенный там фотон создает пару: электрон / дырка. Мощное поле в i-позиции мгновенно распределяет их по электродам: дырка поглощается катодом, электрон поглощается анодом. Это создает электрический ток.

КПД штыревых фотодиодов чрезвычайно высок, поскольку их частота может достигать 1010 Гц, что гарантирует передачу терабайт данных за 1 секунду. Для таких деталей участок i намного шире, чем p + и n +, так что фотоны поглощаются более точно на этом участке.

Лавинные

В волоконно-оптических технологиях, помимо штыревых типов рассматриваемых деталей, используются специальные типы — лавинные фотоприемники (ЛФД), отличием которых является дополнительное p-сечение.

За счет армирующих добавок р-слой имеет большую прочность, соответственно, наибольшее снижение напряжения на нем. Фотон, находясь в светочувствительном сегменте i, вытягивает оттуда электрон, бегая к аноду, дырка идет к катоду.

Электрон на своем пути находится в положении высокого напряжения p-слоя, здесь он резко ускоряется, что дает возможность элиминировать другие частицы того же типа из оболочек атомов p-участков. Затем вновь образованные свободные электроны делают то же самое: они устраняют свои дополнительные аналоги из валентных сегментов. Явление нарастает лавинообразно.

Изображение показывает сильное увеличение движущей электрической силы на p-слое. Первичный ток, который появляется в слое i, нарастает лавинообразно на участке p. Увеличение достигает нескольких сотен раз, но если оно слишком велико, оно создает шумы, которые нарастают быстрее, чем пульс. Оптимальное значение коэффициента 30–100.

С барьером Шоттки

В элементах этого типа создается несколько пленок, то есть особая структура, исключающая инжекцию неосновных носителей. Такие части используют только движение главных векторов. Плюс в том, что отсутствуют медленные процессы, на которые влияют явления накопления, рассасывания вторичных носителей на основе диода. Плюсы: инерция, время зарядки ничтожно мало, первое связано только с временем прохождения векторов через области пространственного заряда.

Перечисленные возможности позволяют использовать оптодиоды для СВЧ модуляции излучения.

Гетероструктурные

Они собраны из 2-х полупроводников с разными размерами запрещенного участка, участок между ними называется неоднородным. Специальный подбор материалов используется для создания устройства, которое покрывает (чувствует) всю протяженность волн. Недостатком такого изделия является стоимость изготовления.

Темновой ток

В физике и электронике от темнового тока
относится к небольшому электрическому току, который протекает через светочувствительный элемент, такой как фотодиод, в отсутствие падающих фотонов. Физическая причина существования темнового тока — это случайная генерация электронов и дырок в pn-слое устройства, которые затем начинают двигаться упорядоченным образом из-за сильного электрического поля.

Темновой ток является основным источником шума в светочувствительных устройствах, таких как ПЗС-матрицы.

• Заполните статью (статья слишком короткая или содержит только словарное определение).
• Найдите и разместите в виде сносок ссылки на авторитетные источники, подтверждающие написанное.

Смотреть что такое «Темновой ток» в других словарях:

темновой ток — сигнал, который появляется на выходе ПЗС-матрицы при отсутствии падающего света. https://www.vidimost.com/glossary.html Темы телевидение, радио, видео RU темный ток… Техническое руководство для переводчиков

темновой ток — 3,7 Темновой ток: сигнал, регистрируемый датчиком спектрометра, когда линза спектрометра закрыта. Источник: РД 52.24.729 2010: Спектрометрическая съемка на удалении водных объектов в видимом диапазоне волн от мостовых переходов… Словарь-справочник терминов нормативно-технической документации

темный ток — tamsinė srovė statusas T sritis automatika atitikmenys: angl dark current vok. Dunkelstrom, m rus current obscura, m pranc courant d obscurité, m… Automatikos terminų žodynas

темный ток — tamsinė srovė statusas T sritis fizika atitikmenys: angl dark current vok. Dunkelstrom, m rus current obscure, m pranc courant d’obscurité, m; курант нуар, м… Fizikos terminų žodynas

темновой ток полупроводникового детектора ионизирующего излучения — PPD Темновой ток Электрический ток, протекающий через сигнальные клеммы полупроводникового детектора ионизирующего излучения при отсутствии ионизирующего излучения, падающего на детектор, и при отсутствии проникновения света в сенсор

эмиттер темнового тока на основе фототранзистора — Темновой ток в цепи эмиттера, протекающий при отсутствии тока в коллекторе при определенных условиях эксплуатации и отсутствии потока излучения в диапазоне спектральной чувствительности. Название IbT и IEBO Примечание FEPP может работать….. Техническое руководство переводчика

фототранзистор эмиттер-коллектор темнового тока — Темновой ток в цепи эмиттера, протекающий при отсутствии тока в базе при определенных условиях эксплуатации и при отсутствии потока излучения в диапазоне спектральной чувствительности. Название IkT и IECO Примечание FEPP может работать….. Техническое руководство переводчика

фототранзисторный коллектор на темной базе — ток в цепи коллектора, протекающий при отсутствии тока в эмиттере при определенных условиях эксплуатации и при отсутствии потока излучения в диапазоне спектральной чувствительности. Название IbT K IСBO Примечание Equilibrium может работать на FEPP….. Техническое руководство переводчика

фототранзистор коллектор-эмиттер темнового тока — ток в цепи коллектора при отсутствии тока в базе, протекающий при определенных условиях эксплуатации и отсутствии потока излучения в диапазоне спектральной чувствительности. Обозначение IeT K ICEO Nota Equilibrium может работать на FEPP….. Техническое руководство переводчика

темновой ток фотоумножителя (фотоэлемента) — Ток в анодной цепи фотоумножителя (фотоэлемента) при отсутствии облучения фотокатода. ГОСТ 20526 82 Электровакуумные устройства EN Темновой ток фотоумножителя (фотоэлемента) DE Dunkelstrom des Photovervielfachers (der Photozelle) FR …… Техническое руководство переводчика

Режимы работы

Фотодиоды делятся по режиму работы.

Режим фотогенератора

Работает без источника питания. Фотогенераторы, входящие в состав солнечных панелей, также называют «солнечными элементами». Их функция — преобразовывать солнечную энергию в электрическую. Наиболее распространены фотогенераторы на основе кремния: дешевые, широко распространенные, хорошо изученные. У них невысокая стоимость, но КПД достигает всего 20%. Элементы фильма более прогрессивны.

Режим фотопреобразования

Питание схемы подключено с обратной полярностью, фотодиод в этом случае выполняет роль светочувствительного элемента.

Ультрафиолетовые детекторы

Хотя кремний в первую очередь чувствителен к видимым длинам волн, кремниевый фотодиод можно оптимизировать для улучшения отклика даже в ультрафиолетовом диапазоне. Эти устройства называются кремниевыми ультрафиолетовыми фотодиодами.

Вы, наверное, знакомы с карбидом кремния (SiC). Это все более популярный полупроводниковый материал, связанный в первую очередь с мощными полевыми МОП-транзисторами, но оказалось, что диоды SiC отлично подходят для УФ-детекторов.

Фотодиоды из карбида кремния — это прочные устройства, которые по своей природе чувствительны только к ультрафиолетовому свету в диапазоне от 200 до 400 нм.

Рисунок 2 — Нормированный спектральный отклик фотодиода из карбида кремния, производимого Electro Optical Components

Этот ограниченный спектральный отклик означает, что SiC-фотодиоды не требуют оптических фильтров в системах, которые должны препятствовать тому, чтобы видимый или инфракрасный свет мешал измерениям в ультрафиолете.

Если все, что вам нужно сделать, это повысить чувствительность к УФ-излучению, кремниевые УФ-фотодиоды — именно то, что вам нужно. Они сохраняют свою чувствительность в области видимого; на самом деле они гораздо более чувствительны к видимому свету, чем к инфракрасному.

Математическая зависимость между интенсивностью падающего света и генерируемым фототоком называется чувствительностью. Пиковая чувствительность SiC-фотодиодов довольно низка по сравнению с максимальной чувствительностью кремниевых фотодиодов, но пиковая чувствительность кремния не имеет значения для ультрафиолетовых приложений, поскольку она возникает вдали от длин волн ультрафиолетового излучения. Чувствительность SiC аналогична чувствительности кремния, если говорить только о участке спектра 200–400 нм.

Измерение видимого света, инфракрасного и ультрафиолетового излучения

Фотодиоды — это полупроводниковые устройства, которые можно использовать для измерения видимого света, инфракрасного или ультрафиолетового излучения. Кремниевый фотодиод принципиально не отличается от типичного кремниевого выпрямительного диода, но в фотодиодах используется PN-переход с нулевым или обратным смещением.

Схемы с фотодиодами, где используются и примеры сборок

Фотодиоды используются:

• для довольно узкой конкретной области — для волоконно-оптических систем передачи данных (FOTS, FOCL). Инженеры-электронщики тоже не так часто сталкиваются с этой областью. Именно здесь кратко рассмотренные нами характеристики (ВАХ, чувствительность и т.д.) особенно актуальны для расчета фотодиодных структур.
• солнечные панели. Такие изделия подключаются по обычным схемам согласно инструкции этого изделия;
• оптопары, оптопары, реагирующие на световую сигнализацию, различные реле, автоматику, датчики и приемники инфракрасного излучения (пульты дистанционного управления, аналогичные устройства управления).

Основы схем с фотодиодами

Схема переключения для каждого из двух режимов разная. Ниже представлен типовой чертеж для подключения устройства в качестве преобразователя. Внимание: подключено к источнику питания, противоположному направлению.

Как генератор. Когда свет доходит до клемм, появляется напряжение, токи короткого замыкания в этом режиме равны десяткам ампер, что напоминает работу солнечных батарей, но здесь мощность снижена.

Важное замечание о схемах реле: для регулировки чувствительности нужен подстроечный резистор, а без резистора в линии коллектора оптопара может сгореть.

Схема простого фотодиодного реле

Сборка с фотоприемником 320 (очень популярная спецификация). Как и другая часть жанра, можно проверить мультиметром, узнать, где анод / катод. В этом случае значения тестера различаются, если диод приглушен.

Если фотодиод работает как датчик, реле, элемент дистанционного управления и это большинство приборов, он будет включаться в обратном направлении: катод на «+», анод на «-». (подключение «фоторезистор»). При затенении у противоположного элемента res очень высокое значение, при более высоком уровне излучения оно уменьшается. Эта функция используется для управления оборудованием.

На рис. Выше простое реле:

• VD1 — это фотодиод, а для него R1 — переменная. Сопротивление первым уменьшается по мере уменьшения интенсивности света;
• VT1 — транзистор. Напряжение на его основании увеличивается, если он горит и размыкается в какой-то момент периода подачи света, то же самое произойдет с VT2;
• после вышеперечисленных процессов ток пойдет на обмотку расцепителя К1 — агрегат поменяется. Если поместить деталь в тень, то напряжение на VT1 упадет, транзисторы заблокируются, контакты разомкнутся, реле выключится.

R1 — триммер, он регулирует чувствительность фотореле, так что активировать его можно только фонариком. Такое реле можно использовать как простую систему дистанционного управления, а подсветка будет работать как пульт дистанционного управления.

Компоненты схемы простые и недорогие:

• фотоэлемент 320. Можно взять и другие модели: 263. Перед установкой проверьте, где находится анод / катод. Используется мультиметр, порядок действий такой же, как и для простых диодов. А также не лишним будет убедиться в реакции диода на свет;
• транзисторы КТ3102 и 814;
• э / м реле WJ118-1С. Можно взять еще один, но рекомендуется намотка 200 Ом и на 10-15 В.

Как работать со схемой. После сборки переместите ручку привода R1, чтобы установить максимальное разрешение. Держите карту подальше от прямого света. Во время сборки не меняйте полярности. Подключите блок питания (также соблюдайте предыдущую рекомендацию). Реле нельзя активировать, щелкать. В этом случае поверните переключатель R1, чтобы отключить его. Теперь вы можете поэкспериментировать с фонариком — зажгите и посмотрите, как загорится реле.

Схема дистанционного выключателя

Вверху находится переключатель, управляемый маленьким лазерным фонариком. Использовал 2 фотодиода: для вкл надо отправить на VD2, для выкл. — на VD1. Чувствительность регулируется с помощью переменных R1 и 2. Триггер RS для включения / выключения реле установлен на микросхеме D1 (K561LA7.

Когда горит VD2, его res уменьшается и входное напряжение. D1.2 вырастет в степень логической единицы. Из. D1.2 происходит 0, триггер на D1.3 — D1.4 перейдет в состояние, когда на выходе. D1.4 будет логической единицей. Также он разблокирует VT1, ток пойдет на реле. При отсутствии освещения спусковой крючок остается прежним, спусковой крючок срабатывает.

Все аналогичные функциональные группы фотоэлементов имеют аналогичный алгоритм. Для выключения необходимо включить VD1: реакция триггера изменится при выходе. D1.3 будет 0. Ключ VT1 заблокирован, реле деактивировано и останется таковым, когда индикатор погаснет. Итак: для активации надо светить на VD2, для деактивации. — на VD1. Расстояние между диодами составляет 5 см, этого достаточно для наблюдения с помощью лазерной указки.

Регулировка заключается исключительно в настройке чувствительности фотоэлементов с помощью подстроечных резисторов R1 и 2. Этот переключатель необходимо установить так, чтобы не было значительных колебаний интенсивности излучения, прямых лучей на линзах. Фонари работают от 2 до 3 метров. Для лазерных указателей в ночное время, при максимальной чувствительности — 20-30м, днем ​​этот показатель будет меньше, так как установлена ​​меньшая чувствительность

В этом примере реле и диоды такие же, как на рисунке в предыдущем разделе. Микроконтроллеры: К561ЛА7 или 1561ЛА7, 176ЛА7. Выводы у КТ815 находятся как у КТ814.

Еще чертежи фотореле

Чертеж сборки и подключения фотореле уличного освещения, устройство активируется при отсутствии света:

В приведенной ниже сборке вместо фоторезистора можно использовать фотодиод:

Простое фотореле для включения света с наступлением темноты:

Робот, убегающий от света

Робот из корпуса компьютерной мыши, уходящий в тенистые места:

Робот управляется фонариком:

Электронная мышеловка на фотодиодах

Элементы:

• любой ИК-фотодиод;
• электромагнит. Вы можете получить его от бывшей в употреблении бытовой техники или изготовить катушку самостоятельно (в сети много инструкций);
• КТ 3107 (транзистор) обеспечивает чувствительность гальванического диода;
• Ставим КТ818, потому что электромагнит — это достаточно мощная нагрузка (для нашей ситуации его половина ампера — это много);
• резистор. Без него схема будет реагировать даже на простой свет.

Процесс изготовления: собираем корпус, диоды (фото и свет) обращены друг к другу, дальше от входа (при пересечении светового потока будет триггер), чтобы мышь могла переключаться между ними. Над входом магнит с решетчатой ​​дверцей. Также в схеме есть источник питания — «корона» 9 В. Используется стандартный принцип: светодиод подает излучение на фотодиод, который воспринимает свет и подает сигнал на электромагнит, закрывающий вход в мышеловку.

Схемы с фотодиодами на Arduino

Также существует множество сборок различных реле, ИК-приемников на базе микроконтроллера Arduino.

ИК-приемник:

Простые панели управления:

Исчерпывающая информация о фотодиодах

Фотодиоды — это светочувствительные полупроводниковые элементы. Их основная функция — преобразовывать световой поток в электрический сигнал. Такие полупроводники используются в различных устройствах, работа которых основана на использовании световых потоков.

Принцип работы фотодиодов

В основе действия фотодиодных элементов лежит внутренний фотоэффект. Он заключается в появлении в полупроводнике под действием светового потока электронов и неравновесных дырок (т.е атомов с пространством для электронов), которые образуют фотоэлектродвижущую силу.

• При попадании света на pn переход кванты света поглощаются с образованием фотоносителей
• Фотографические носители, расположенные в области n, приближаются к границе, где они разделяются под действием электрического поля
• Дырки перемещаются в p-зону, а электроны собираются в n-зоне вблизи границы
• Дырки положительно заряжают p-зону, а электроны отрицательно заряжают n-зону. Разность потенциалов образуется
• Чем больше освещение, тем больше обратный ток

Если полупроводник находится в темноте, его свойства аналогичны обычному диоду. Если поиграть тестером при отсутствии засветки, результаты будут аналогичны тестированию обычного диода. В прямом направлении будет небольшое сопротивление, в обратном направлении стрелка останется на нуле.

Схема фотодиода

Режимы работы

Фотодиоды делятся по режиму работы.

Режим фотогенератора

Работает без источника питания. Фотогенераторы, входящие в состав солнечных панелей, также называют «солнечными элементами». Их функция — преобразовывать солнечную энергию в электрическую.

Наиболее распространены фотогенераторы на основе кремния: дешевые, широко распространенные, хорошо изученные. У них невысокая стоимость, но КПД достигает всего 20%.

Элементы фильма более прогрессивны.

Режим фотопреобразования

Питание схемы подключено с обратной полярностью, фотодиод в этом случае выполняет роль светочувствительного элемента.

Основные параметры

Свойства фотодиодов определяют следующие характеристики:

• Вольт-амперы. Он определяет изменение значения светового тока в соответствии с изменением напряжения при стабильном световом потоке и темновом токе
• Спектральный. Характеризует влияние длины волны света на фототок
• Постоянная времени — это период, в течение которого сила тока реагирует на увеличение затемнения или освещения на 63% от установленного значения
• Порог чувствительности — минимальный световой поток, на который реагирует диод
• Устойчивость к темноте — характерный показатель полупроводника при отсутствии света
• Инерция

Из чего состоит фотодиод?

Разновидности фотодиодов

P-i-n

Эти полупроводники характеризуются наличием участка в области pn перехода, который имеет собственную проводимость и значительное значение сопротивления. Когда световой поток попадает в этот участок, появляются пары дырок и электронов.

Электрическое поле в этой области постоянно, объемный заряд отсутствует. Этот вспомогательный слой расширяет диапазон рабочих частот полупроводника.

По своему функциональному назначению штыревые фотодиоды делятся на детекторные, смесительные, параметрические, ограничивающие, умножители, тюнеры и другие.

Лавинные

Этот вид очень чувствителен. Его функция — преобразовывать световой поток в электрический сигнал, усиленный эффектом лавинного умножителя. Может использоваться в условиях низкого светового потока. В лавинных фотодиодах используются сверхрешетки для уменьшения шума передачи сигнала.

С барьером Шоттки

он состоит из металла и полупроводника, вокруг стыка которых создается электрическое поле. Основное отличие от обычных фотодиодов штыревого типа — использование первичных и не дополнительных носителей заряда.

С гетероструктурой

Состоит из двух полупроводников с разной шириной запрещенной зоны. Прослойка между ними называется неоднородной. Выбирая такие полупроводники, можно создать устройство, работающее во всем диапазоне длин волн. Его недостаток — высокая сложность изготовления.

Фотоэлектрический режим в фотодиодных схемах

Следующая диаграмма представляет собой пример реализации фотоэлектрической системы.

Рисунок 1 — Пример включения фотодиода в фотоэлектрический режим

Эта схема операционного усилителя называется трансимпедансным усилителем (TIA). Он специально разработан для преобразования токового сигнала в сигнал напряжения, причем отношение тока к напряжению определяется значением резистора обратной связи Rc. Неинвертирующий вход операционного усилителя соединен с землей, и если мы применим гипотезу виртуального короткого замыкания, мы знаем, что инвертирующий вход всегда будет около 0 В. Следовательно, катод и анод фотодиода поддерживаются на уровне 0 v.

Основные параметры

Свойства фотодиодов определяют следующие характеристики:

• Вольт-амперы. Он определяет изменение значения светового тока в соответствии с изменением напряжения при стабильном световом потоке и темновом токе
• Спектральный. Характеризует влияние длины волны света на фототок
• Постоянная времени — это период, в течение которого сила тока реагирует на увеличение затемнения или освещения на 63% от установленного значения
• Порог чувствительности — минимальный световой поток, на который реагирует диод
• Устойчивость к темноте — характерный показатель полупроводника при отсутствии света
• Инерция

Параметры и характеристики фотодиодов

Параметры:

• чувствительность отражает изменение электрического состояния на выходе фотодиода при подаче на вход одиночного оптического сигнала. Количественно чувствительность измеряется соотношением между изменением электрических характеристик, обнаруживаемых на выходе фотодетектора, и световым потоком или излучением, вызвавшим его. Да, Φv = IΦΦv { displaystyle S_ {i, { Phi _ {v}}} = { frac {I _ { Phi}} { Phi _ {v}}}}; Да, Ev = IΦEv { displaystyle S_ {i, {E_ {v}}} = { frac {I _ { Phi}} {E_ {v}}}} — чувствительность к световому потоку Su, Φe = UΦΦe { displaystyle S_ {u, { Phi _ {e}}} = { frac {U _ { Phi}} { Phi _ {e}}}}; Да, Ee = UΦEe { displaystyle S_ {i, {E_ {e}}} = { frac {U _ { Phi}} {E_ {e}}}} — чувствительность к гальваническому потоку
• шум Помимо полезного сигнала на выходе фотодиода появляется хаотический сигнал со случайной амплитудой и спектром — шум фотодиода. Это не позволяет записывать столь маленькие полезные сигналы. Шум фотодиода состоит из шума полупроводникового материала и шума фотонов.

Характеристики:

• вАХ: зависимость выходного напряжения от входного тока. UΦ знак равно е (IΦ) { Displaystyle U _ { Phi} = f (I _ { Phi })}
• зависимость спектральных характеристик фототока от длины волны света, падающего на фотодиод. На длинноволновой стороне она определяется шириной запрещенной зоны, на малых длинах волн — большим коэффициентом поглощения и увеличением эффекта поверхностной рекомбинации носителей заряда с уменьшением длины волны квантов света. То есть предел коротковолновой чувствительности зависит от толщины основы и скорости поверхностной рекомбинации. Положение максимума на спектральной характеристике фотодиода сильно зависит от степени увеличения коэффициента поглощения.
• характеристики света Зависимость фототока от освещенности соответствует прямой пропорциональности фототока освещенности. Это связано с тем, что толщина базы фотодиода намного меньше диффузионной длины неосновных носителей заряда. То есть почти все неосновные носители заряда, возникшие в базе, принимают участие в формировании фототока.
• постоянная времени — это время, в течение которого фототок фотодиода изменяется после освещения или после того, как фотодиод затемнен на коэффициент е (63%) по отношению к значению в установившемся режиме.
• сопротивление в темноте сопротивление фотодиода при отсутствии засветки.
• инерция

Проверка фотодиода мультиметром

Рассмотрим, как проверить фотоприемники мультиметром. Тестер измеряет значения сопротивления (вперед и назад) в процессе включения / выключения диода. Мультиметр (или омметр) переносят на отметку 200 кОм.

Иногда наблюдается характерный недостаток — хаотичная смена тока («полоса»). Для обнаружения неисправности собирается простая схема (см. Рисунок ниже) и в течение нескольких минут измеряется обратный ток. Если ток постоянный, деталь работает. Запчасть можно проверить на плате, но возможны ошибки, поэтому всегда рекомендуется пайка.

Температурная устойчивость

Детекторы состоят из тонкой пленки на стеклянной подложке. Фактическая форма и эффективная площадь фотопроводящей поверхности могут значительно различаться в зависимости от условий эксплуатации. При этом меняются и рабочие характеристики устройства, в частности: чувствительность извещателя меняется в зависимости от рабочей температуры. Температурные характеристики запрещенных зон в соединениях PbS и PbSe отрицательны; поэтому охлаждение детектора сдвигает диапазон спектрального отклика в область более длинных волн. Для достижения наилучших результатов рекомендуется использовать фотодиоды в стабильной среде.

Разновидности фотодиодов

P-i-n

Эти полупроводники характеризуются наличием участка в области pn перехода, который имеет собственную проводимость и значительное значение сопротивления. Когда световой поток попадает в этот участок, появляются пары дырок и электронов. Электрическое поле в этой области постоянно, объемный заряд отсутствует. Этот вспомогательный слой расширяет диапазон рабочих частот полупроводника. По своему функциональному назначению штыревые фотодиоды делятся на детекторные, смесительные, параметрические, ограничивающие, умножители, тюнеры и другие.

Лавинные

Этот вид очень чувствителен. Его функция — преобразовывать световой поток в электрический сигнал, усиленный эффектом лавинного умножителя. Может использоваться в условиях низкого светового потока. В лавинных фотодиодах используются сверхрешетки для уменьшения шума передачи сигнала.

С барьером Шоттки

он состоит из металла и полупроводника, вокруг стыка которых создается электрическое поле. Основное отличие от обычных фотодиодов штыревого типа — использование первичных и не дополнительных носителей заряда.

С гетероструктурой

Состоит из двух полупроводников с разной шириной запрещенной зоны. Прослойка между ними называется неоднородной. Выбирая такие полупроводники, можно создать устройство, работающее во всем диапазоне длин волн. Его недостаток — высокая сложность изготовления.

Фототок

Основным выходным сигналом фотодиода является ток, протекающий через устройство от катода к аноду, и он приблизительно линейно пропорционален освещению (имейте в виду, однако, что на количество фототока также влияет длина волны падающего света — плюс об этом в следующей статье). Для дальнейшей обработки сигнала этот фототок преобразуется в напряжение с помощью последовательного резистора или преобразователя ток → напряжение на операционном усилителе.

Детали отношения света к току фотодиода будут варьироваться в зависимости от условий смещения диода. В этом суть различия между фотоэлектрическим и фотопроводящим режимами: в фотоэлектрической реализации цепь, окружающая фотодиод, поддерживает анод и катод под одним и тем же потенциалом; Другими словами, диод имеет нулевое смещение. В светопроводящей реализации схема, окружающая фотодиод, создает обратное смещение, что означает, что катод находится под более высоким потенциалом, чем анод.

ОСНОВНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ С ВНУТРЕННИМ ФОТОЭФФЕКТОМ

ВОЛЬТ-АМПЕРНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ

Учитывайте характеристики только фоторезистора, фотодиода и фототранзистора.

а) ВАХ фоторезистора.

Как видно из рис. 10, фототок фоторезисторов не имеет насыщения, поэтому их чувствительность пропорциональна приложенному напряжению 4. Вольт-амперная характеристика (ВАХ) показывает зависимость фототока (при постоянном световом потоке) от приложенного напряжения. Для фоторезисторов эта зависимость практически линейная. Закон Ома нарушается только при высоких напряжениях, приложенных к фоторезистору.

Рисунок 10. — ВАХ фоторезистора

б) ВАХ фотодиода.

ВАХ фотодиода с прямым смещением не отличается от ВАХ обычного диода. Но при обратной связи ВАХ уже другая: она будет определяться величиной светового потока. Облучаем кристалл слабым световым потоком, к спектру которого будет чувствителен фотодиод, что вызовет генерацию электронов и дырок, а обратный ток увеличится (F1> Ф0). Ток, протекающий через подтягивающий резистор, увеличится. Если световой поток станет еще более значительным, соответственно возрастет обратный ток фотодиода (Ф2> Ф1). Ток, проходящий через подтягивающий резистор, станет еще более значительным. Очевидно, что сила тока, проходящего через резистор, и постоянное падение напряжения на нем зависят от величины светового потока 7.

ВАХ фотодиода показана на рисунке 11.

Рисунок 11. — ВАХ фотодиода.

в) ВАХ фототранзистора .

Вольт-амперные характеристики фототранзистора (рис.12) напоминают выходные характеристики обычного транзистора в цепи OE, но параметром здесь является не ток IK, а световой поток F.

Рисунок 12 — ВАХ фототранзистора

ХАРАКТЕРИСТИКИ СВЕТА (LUX-AMPERE

Световая характеристика будет одинаковой для всех фотоэлементов с внутренним фотоэффектом, поэтому для простоты проанализируем люкс-амперную характеристику фоторезистора.

Зависимость фототока от освещенности для фоторезисторов носит нелинейный характер. Максимальный наклон и, как следствие, чувствительность находятся в области слабой освещенности, с увеличением интенсивности освещения чувствительность уменьшается 4.

Люкс-амперная характеристика фоторезистора представлена ​​на рис.13.

Рисунок 13. — Люкс-амперная характеристика фоторезистора

Анализируя люкс-амперную характеристику фоторезистора, можно отметить, что при высокой освещенности линейность характеристики нарушается из-за большей концентрации неравновесных носителей заряда и большей вероятности их рекомбинации с дефектами решетки 3. Первоначальная линейность характеристики свидетельствует о том, что почти все носители света участвуют в формировании фототока.

СПЕКТРАЛЬНЫЕ ОСОБЕННОСТИ

Форма спектральной характеристической кривой, то есть зависимость фототока от длины волны постоянной энергии падающего излучения, будет одинаковой для всех преобразователей с внутренним фотоэффектом. Поэтому, помимо световой характеристики, форму спектральной характеристики можно пояснить на примере фоторезистора. Объяснение формы этой зависимости будет одинаковым для фотодиода и фототранзистора.

Спектральная характеристика имеет следующее математическое описание: Как отмечалось ранее, фототок в собственном полупроводнике возникает, начиная с длины волны, которая определяется выражением:, где запрещенная зона, ,

Казалось бы, спектральная характеристика должна иметь форму ступеньки (рис. 14, а), но такую ​​форму она могла иметь только при абсолютном нуле. При повышении температуры тепловое движение «размывает» предел собственного поглощения (рис. 14, б).

Рисунок. 14. — а) — идеальная и б) — реальная спектральная характеристика фоторезистора.

С увеличением энергии фотона в реальной спектральной характеристике фототок быстро достигает максимума, а затем начинает убывать, хотя энергии фотона более чем достаточно для появления фотопроводимости. Это объясняется тем, что коэффициент оптического поглощения увеличивается с уменьшением, что приводит к поглощению света в тонком поверхностном слое вещества, увеличению концентрации неравновесных носителей и, как следствие, увеличению скорости рекомбинации в этом слое. Другими словами, носители заряда активно рекомбинируют на поверхности, не успевая диффундировать в массу полупроводника, что приводит к снижению фотопроводимости.

Для фоторезисторов из сульфида свинца

Для кремниевых фотодиодов, для германиевых — .

Фототранзистор расположен примерно в тех же коридорах, что и кремниевый фотодиод.

Области применения фотодиодов

• Оптоэлектронные интегральные схемы. Полупроводники обеспечивают оптическую связь, которая обеспечивает эффективную гальваническую развязку цепей питания и управления при сохранении функциональной связи.
• Многоэлементные фотоприемники: сканеры, светочувствительные устройства, матрицы фотодиодов. Оптоэлектрический элемент способен воспринимать не только характерную яркость объекта и ее изменение во времени, но и создавать целостный визуальный образ.

Прочие области применения: волоконно-оптические линии, лазерные дальномеры, установки для позитронно-эмиссионной томографии.

Квантовая эффективность

Квантовая эффективность эмиттера определяется как отношение количества испускаемых электронов к количеству падающих фотонов. Кремний и InGaAs имеют пиковую квантовую эффективность около 80%.

интересно прочитать: фотореле в уличном освещении.

Скорость ответа

Скорость отклика детектора ограничена временем прохождения, то есть временем, за которое свободные заряды проходят через внутренний слой. Это функция напряжения обратного смещения и физической ширины. Для быстрых pin-диодов он составляет от 1,5 до 10 нс. Емкость также влияет на отклик устройства, при этом емкость перехода образует внутренний изолирующий слой между электродами, образованный p- и n-областями. Для высокоскоростных фотодиодов время отклика может достигать 10 пикосекунд при емкости в несколько пикофарад с очень малой площадью поверхности.

Вольтамперная характеристика

Типичные кривые текущего напряжения (IU) для кремниевого штыревого фотодиода показаны на рис. 6.11. Видно, что даже при отсутствии оптической мощности протекает небольшой обратный ток, который называется темновым током. Это вызвано термическим образованием свободных носителей заряда, которые обычно удваиваются каждые 10 ° C повышения температуры после 25 ° C.

Динамический диапазон

Линейная зависимость между напряжением и оптической мощностью, показанная на рис. 6.11, обычно составляет около шести десятков, что дает динамический диапазон около 50 дБ.

Фотодиод на схеме.