Фотодиоды устройство, характеристики и принципы работы


СОДЕРЖАНИЕ:

Фотодиод маркировка. Фотодиоды: устройство, характеристики и принципы работы. Фотодиод — преобразует свет в электрический заряд

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.

Обозначение на схемах

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).

Режимы работы фотодиода

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.

Вольтамперная характеристика

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.

В электротехнике широко используются различные приборы и устройства, связанные с особенностями и физическими свойствами материалов. Среди них особое место занимают фотодиоды, принцип работы которых основан на воздействии оптического излучения. В результате, материал изменяет свои качества, что позволяет ему выполнять различные функции в электрических цепях.

Принцип действия фотодиода

Простой фотодиод является обыкновенным полупроводниковым диодом с р-п-переходом, на который оказывает действие оптическое излучение. При полном отсутствии светового потока, диод находится в состоянии равновесия и обладает обычными свойствами.

Действие излучения направлено перпендикулярно относительно плоскости, где расположен р-п-переход. Энергия, с которой поглощаются фотоны, превышает ширину запрещенной зоны, что приводит к возникновению электронно-дырочных пар. Данные пары, состоящие из электронов и дырок, получили наименование фотоносителей.

Когда фотоносители проникают внутрь п-области, электроны и дырки, в основной массе не успевают распадаться на составляющие и подходят непосредственно к границе р-п-перехода. В этом месте происходит разделение фотоносителей с помощью электрического поля. В результате, дырки попадают в р-область. Электроны же не в состоянии пройти через поле, окружающее переход, поэтому начинается их скапливание возле п-области и у границы перехода. Таким образом, прохождение тока через переход полностью зависит от движения дырок. Данный вид тока с участием фотоносителей получил название фототока.

Под воздействием фотоносителей-дырок в р-области по отношению к п-области возникает положительный заряд. Таким же образом, п-область заряжается отрицательно относительно р-области. Происходит возникновение разности потенциалов, именуемой фото-ЭДС. Ток, сгенерированный в фотодиоде, имеет обратное значение и направление от катода к аноду. Величина этого тока возрастает в зависимости от увеличения степени освещенности. Работа фотодиодов может осуществляться в двух режимах. В первом случае используется фотогенераторный режим, не предусматривающий внешний источник электроэнергии. В режиме фотопреобразователя необходимо использование внешнего источника электроэнергии.

Режим фотогенератора позволяет использовать фотодиоды как источники питания, преобразующие солнечное излучение в электрическую энергию. Они используются в качестве . Коэффициент полезного действия элементов на основе кремния составляет примерно 20%. КПД у пленочных конструкций может быть значительно выше.

В работе фотодиодом нередко используется свойство обратимого электрического пробоя. В результате, количество носителей заряда умножается лавинообразно, по аналогии с полупроводниковыми стабилитронами. Происходит значительный рост фототока и чувствительности фотодиодов. Данное значение превышает обычные параметры в сотни раз.

Частота лавинных фотодиодов достигает величины до 10 ГГц, что позволяет использовать их в качестве быстродействующих фотоэлектрических приборов. Единственным недостатком этих устройств является повышенный уровень шума. Фотодиоды очень часто используются в паре со светодиодами. Они размещаются в общем корпусе, при этом, расположение светочувствительной площадки фотодиода наиболее оптимально к излучающей светодиодной площадке. Данные приборы получили название оптронов. Электрические связи совершенно не касаются входных и выходных цепей, поскольку сигналы передаются путем оптического излучения.

Характеристики фотодиодов

Если рассматривать в целом непосредственно фотодиоды, принцип действия и другие параметры этих устройств, следует отметить то, как выходная мощность соотносится с общей массой и площадью солнечной батареи. Максимальное значение этих параметров может достигать соответственно 200 ватт на 1 кг и 1 киловатт на 1 м2.

Кроме того, значение имеет вольт-амперная характеристика, в которой выходное напряжение зависит от выходного тока. Значение спектральных характеристик показывает соотношение фототока и величины световых волн, падающих на фотодиод. Максимальное значение данного параметра находится в прямой зависимости от того, насколько возрастает коэффициент поглощения.

Фототок и освещенность определяют световую характеристику фотодиода. Обе величины имеют между собой прямую пропорциональную зависимость. Эта величина представляет временной отрезок, на протяжении которого происходят изменения после того как фотодиод освещен или затемнен. Показатель соотносится с установленным значением. Фотодиод также характеризуется в соответствии с сопротивлением при отсутствии освещения и другими параметрами, определяющими его работоспособность и область практического применения.

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Принцип действия фотодиода

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

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

Свойства фотодиода можно охарактеризовать следующими характеристиками:

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

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

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

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

Темновое сопротивление — сопротивление фотодиода в отсутствие освещения.

Интегральная чувствительность определяется формулой:

где 1ф — фототок, Ф — освещенность.

Существует три физических фактора, влияющих на инерционность:

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

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

3. Время перезарядки барьерной емкости р-п перехода, характеризующееся постоянной времени RC6ap.

Толщина р-п перехода, зависящая от обратного напряжения и концентрации примесей в базе, обычно меньше 5 мкм, а значит, т, — 0,1 не. RC6ap определяется барьерной емкостью р-п перехода, зависящей от напряжения и сопротивления базы фотодиода при малом сопротивлении нагрузки во внешней цепи. Величина RC6ap обычно составляет нескольких наносекунд.

Расчет КПД фотодиода и мощности

КПД вычисляется по формуле:

где Росв — мощность освещенности; I — сила тока;

U — напряжение на фотодиоде.

Расчет мощности фотодиода иллюстрирует рис. 2.12 и таблица 2.1.

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

Максимальная мощность фотодиода соответствует максимальной площади данного прямоугольника.

Таблица 2.1. Зависимость мощности от КПД

Мощность освещенности, мВт

Применение фотодиода в олтоэлектронике

Фотодиод является составным элементом во многих сложных оптоэлектронных устройствах:

Оптоэлектронные интегральные микросхемы.

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

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

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

Как происходит восприятие образов?

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

1. Энергетические характеристики фотодиода связывают фототок со световым потоком, падающим на фотодиод. Зависимость фототока от светового потока при работе фотодиода в генераторном режиме — является строго линейной только при короткозамкнутом фотодиоде . С ростом нагрузочного сопротивления характеристики все больше искривляются и при больших имеют ярко выраженную область насыщения (рис. 3.12, а). При работе фотодиода в схеме с внешним источником напряжения энергетические характеристики значительно ближе к линейным. При увеличении приложенного напряжения фототок несколько возрастает (рис. 3.12, б). Это объясняется расширением области -перехода и уменьшением ширины базы, в результате чего меньшая часть носителей заряда рекомбинирует в базе при движении к -переходу.

2. Абсолютные и относительные спектральные характеристики фотодиода аналогичны соответствующим характеристикам фоторезистора и зависят от материала фотодиода и введенных примесей (рис. 3.12, в).

Спектральные характеристики практически захватывают всю видимую (300-750 нм) и инфракрасную области спектра.

4. Частотная характеристика показывает изменение интегральной чувствительности при изменении яркости светового потока с разной частотой излучения (рис. 3.12, г). Иногда инерционные свойства фотодиода характеризуют граничной частотой, на которой интегральная чувствительность уменьшается в раз по сравнению со своим статическим значением.

Рис. 3.12. Энергетические характеристики фотодиода в режиме (а) и при работе с внешним источником (б); относительные спектральные и частотные характеристики

Граничная частота быстродействующих кремниевых фотодиодов — порядка Гц.

Для повышения быстродействия и увеличения чувствительности в последние годы разработан ряд фотодиодов; со встроенным электрическим полем; на основе с барьерами Шотки; лавинные фотодиоды и т. д.

В фотодиодах с встроенным электрическим полем базу получают с помощью процесса диффузии. Из-за неравномерного распределения концентрации примесей в ней возникает внутреннее электрическое поле, которое ускоряет движение неосновных носителей заряда к -переходу.

Вследствие наложения диффузионного и дрейфового движений фотодиода несколько возрастает.

Фотодиоды, выполненные на основе , имеют значительно большую толщину области, обедненной основными носителями заряда, так как между р- и -областями имеется -область с собственной электропроводностью. К переходу без риска пробить его можно приложить значительные напряжения. В результате возникает ситуация, когда световое излучение поглощается непосредственно в области, обедненной основными носителями заряда, в которой создано электрическое поле высокой напряженности. Электроны и дырки, возникающие в области перехода при световом облучении, мгновенно перекидываются в соответствующие области. В результате быстродействие резко возрастает и f достигает значений Гц.

Аналогичными по быстродействию являются фотодиоды на основе барьера Шотки. Они выполняются из кремния, на поверхность которого нанесено прозрачное металлическое покрытие из пленок золота мкм) и сернистого цинка 01 к 0,05 мкм), создающее барьер Шотки. Благодаря минимальному сопротивлению базы и отсутствию процессов накопления и рассасывания избыточных зарядов быстродействие получается достаточно высоким Гц).

В лавинных фотодиодах используется лавинный пробой -перехода или барьера Шотки. От обычных фотодиодов они отличаются тем, что возникшие в результате светового облучения носители заряда лавинно размножаются в области -перехода вследствие ударной ионизации. Выбором внешнего напряжения и параметров цепи обеспечивается возникновение лавинного пробоя только при световом облучении. Этот процесс приводит к тому, что ток в цепи увеличивается по сравнению с током , обусловленным световой генерацией и тепловым током перехода, в раз (М-коэффициент лавинного умножения носителей.

Коэффициент лавинного умножения описывается зависимостью

Назначение фотодиодов. Фотодиод принцип работы

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

Устройство и принцип действия

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

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

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

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

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

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

Режимы работы

Фотодиоды способны функционировать в следующих режимах:

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

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

КПД солнечных батарей на основе кремния составляет 20%, у пленочных элементов этот параметр значительно больше. Важным свойством солнечных батарей является зависимость мощности выхода к весу и площади чувствительного слоя. Эти свойства достигают величин 200 Вт / кг и 1 кВт / м 2 .

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

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

Виды фотодиодов

Существует несколько различных видов фотодиодов, которые имеют свои достоинства.

p i n фотодиод

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

Этот вспомогательный слой значительно снижает емкость запирающего слоя, и не зависит от напряжения. Это расширяет полосу рабочих частот диодов. В результате скорость резко повышается, и частота достигает 10 10 герц. Повышенное сопротивление этого слоя значительно уменьшает ток работы при отсутствии освещения. Чтобы световой поток смог проникнуть через р-слой, он не должен быть толстым.

Лавинные фотодиоды

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

1 — омические контакты 2 — антиотражающее покрытие

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

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

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

Принцип действия

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

Характеристики

Свойства таких световых диодов можно описать некоторыми зависимостями.

Вольт-амперная

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

I — ток M — коэффициент умножения U — напряжение

Световая

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

Спектральная

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

Постоянная времени

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

Темновое сопротивление

Это значение сопротивления диода в темноте.

Инерционность

Факторы, влияющие на эту характеристику:

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

Сфера применения

Фотодиоды являются основными элементами многих оптоэлектронных приборов.

Интегральные микросхемы (оптоэлектронные)

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

Фотоприемники с несколькими элементами

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

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

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

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

Наиболее влияющими оказались такие факторы:

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

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

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.

Другие материалы по теме

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

Назначение: фотодио́д — приёмник оптического излучения, который преобразует попавший на его фоточувствительную область свет в электрический заряд.

Принцип действия: Простейший фотодиод представляет собой обычный полупроводниковый диод, в котором обеспечивается возможность воздействия оптического излучения на р–n-переход. При воздействии излучения в направлении, перпендикулярном плоскости p-n-перехода, в результате поглощения фотонов с энергией, большей, чем ширина запрещенной зоны, в n-области возникают электронно-дырочные пары. Эти электроны и дырки называют фотоносителями . При диффузии фотоносителей в глубь n-области основная доля электронов и дырок не успевает рекомбинировать и доходит до границы p–n-перехода. Здесь фотоносители разделяются электрическим полем p–n-перехода, причем дырки переходят в p-область, а электроны не могут преодолеть поле перехода и скапливаются у границы p–n-перехода и n-области. Таким образом, ток через p–n-переход обусловлен дрейфом неосновных носителей – дырок. Дрейфовый ток фотоносителей называется фототоком .

Фотодиоды могут работать в одном из двух режимов – без внешнего источника электрической энергии (режим фотогенератора) либо с внешним источником электрической энергии (режим фотопреобразователя).

Устройство: cтруктурная схема фотодиода. 1 — кристалл полупроводника; 2 — контакты; 3 — выводы; Ф — поток электромагнитного излучения; Е — источник постоянного тока; Rн — нагрузка.

Параметры: чувствительность (отражает изменение электрического состояния на выходе фотодиода при подаче на вход единичного оптического сигнала.); шумы (помимо полезного сигнала на выходе фотодиода появляется хаотический сигнал со случайной амплитудой и спектром — шум фотодиода)

Характеристики:а) вольт-амперная характеристика фотодиода представляет собой зависимость выходного напряжения от входного тока. б) световая характеристика зависимость фототока от освещенности, соответствует прямой пропорциональности фототока от освещенности. в) спектральная характеристика фотодиода – это зависимость фототока от длины волны падающего света на фотодиод.

Применение: а) оптоэлектронные интегральные микросхемы.

б) многоэлементные фотоприемники. в) оптроны.

9. Светодиоды. Назначение, устройство, принцип действия, основные параметры и характеристики.

Назначение: Светодиод — это полупроводниковый прибор, который излучает свет при пропускании через него тока в прямом направлении.

Принцип действия: Работа основана на физическом явлении возникновения светового излучения при прохождении электрического тока через p-n-переход. Цвет свечения (длина волны максимума спектра излучения) определяется типом используемых полупроводниковых материалов, образующих p-n-переход.

Светодиод является полупроводниковым излучающим прибором с одним или несколькими n-р переходами, преобразующий электрическую энергию в энергию некогерентного светового излучения. Излучение возникает в результате рекомбинации инжектированных носителей в одной из областей, прилегающих к n-р переходу. Рекомбинация происходит при переходе носителей с верхних уровней на нижние.

Характеристики и параметры: основным параметром светодиодов является внутренняя квантовая эффективность (отношение числа фотонов к количеству инжектированных в базу носителей) и внешняя эффективность (отношение потока фотонов из светодиода к потоку носителей заряда в нем). Внешняя эффективность в значительной мере определяется технологией и с ростом ее уровня может быть значительно увеличена.

Основные характеристики светодиодов — вольт-амперные, яркостные и спектральные. Основными параметрами светоизлучающих диодов являются длина волны, полуширина спектра излучения, мощность излучения, рабочая частота и диаграмма направленности излучения.

Светодиоды находят широкое применение в цифровых индикаторах, световых табло, устройствах опто электроники. Принципиально возможно формирование на их основе экрана цветного телевидения.

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.

Обозначение на схемах

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).

Режимы работы фотодиода

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.


Вольтамперная характеристика

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.

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

Основные виды фотоэлектронных приборов. Общие сведения

Каждый электрик должен знать:  Возникают ли токи выше номинальных при пуске асинхронных электродвигателей

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

Фоторезисторы — изменяют сопротивление при освещении

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

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

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

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

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

На ней изображена зависимость тока от напряжения при различных величинах светового потока: Ф — темнота, а Ф3 — это яркий свет. Она линейна. Еще одна важная характеристика — это чувствительность, она измеряется в мА(мкА)/(Лм*В). Что отражает, сколько тока протекает через резистор, при определенном световом потоке и приложенном напряжении.

Темновое сопротивление — это активное сопротивление при полном отсутствии освещения, обозначается Rт, а характеристика Rт/Rсв — это кратность изменения сопротивления от состояния фоторезистора в полном отсутствии освещения к максимально освещенному состоянию и минимально возможному сопротивлению соответственно.

У фоторезисторов есть существенный недостаток — его граничная частота. Это величина описывает максимальную частоту синусоидального сигнала, которым вы моделируете световой поток, при которой чувствительность снижается на 1.41 раз. В справочниках это отражается либо значением частоты, либо через постоянную времени. Она отражает быстродействие приборов, которое обычно занимает десятки микросекунд — 10^(-5) с. Это не позволяет использовать его там, где нужно высокое быстродействие.

Фотодиод — преобразует свет в электрический заряд

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

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

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

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

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

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

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

Фототок Iф равен:

где Sинт — интегральная чувствительность, Ф — световой поток.

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

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

Фототранзисторы — открываются от количества падающего света

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

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

В схему включают фототранзисторы подобным образом.

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

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

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

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

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

Области применения фотоэлектронных приборов

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

В компьютерных мышках также используется технология связанная с фотоэлектронными приборами.

Применение для передачи сигналов в электронных схемах

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

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

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

Рассмотрим пару примеров использования таких приборов.

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

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

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

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

Светодиоды и фотодиоды: типы, режим работы, применение, основные технические характеристики и электрические параметры

Светодиоды и фотодиоды: типы, режим работы, применение, основные технические характеристики и электрические параметры

Основная масса полупроводниковых радиокомпонентов в рабочих режимах оперирует электрической энергией, которая органами зрения не воспринимается. Тем не менее, существует целый кластер элементов, работающих с электромагнитными волнами видимого спектра. Это светодиоды и фотодиоды. Объединяющим их моментом является наличие полупроводникового p-n-перехода, благодаря чему эти радиодетали представляют собой обычный электрический вентиль. Однако в этом качестве свето- и фотодиоды практически никогда не используются. С их помощью решаются иные задачи. Рассмотрим эти радиоэлементы подробнее.

Светодиоды

Основная функция данных полупроводниковых радиокомпонентов заключается в выработке светового излучения при прохождении электрического тока в прямом направлении. При подаче прямого смещения, как и в обычном диоде, начинаются процессы рекомбинации электронов и дырок. Отличие состоит в том, что в светодиоде этот процесс сопровождается генерацией фотонов, из которых состоит свет.

Для того чтобы полупроводник получил способность к генерации фотонов, он особым образом легируется. В результате материал насыщается носителями заряда, которые возбуждают электромагнитные колебания видимого спектра, которые органами зрения воспринимаются как свечение.

Преимуществом светодиодов является когерентность излучения. Это означает, что элемент вырабатывает электромагнитные колебания только одной длины волны. То есть, светодиодом генерируется свет только одного цвета из тех, что вместе составляют белый. В практической радиоэлектронике наибольшее распространение получили следующие светодиоды:

  1. красные;
  2. жёлтые;
  3. оранжевые;
  4. зелёные.

В осветительных приборах с недавних пор используются многокомпонентные изделия, генерирующие все цвета и смешивающие их в особо плотный белый свет. Эти источники света по светимости аналогичны накальным и люминесцентным лампам, но потребляют значительно меньший объём электроэнергии.

Отдельный тип светодиодов – радиокомпоненты, вырабатывающие инфракрасное излучение. Они используются в дистанционном управлении электроникой, СКУД, охранных сигнализациях и прочих подобных системах. И хотя эти элементы генерируют невидимые электромагнитные волны, они используют те же физические принципы и выполняются по той же конструкции, поэтому относятся к классу светодиодов.

Типы светодиодов

Сегодня существует два подхода к классификации световых диодов. Во-первых, радиокомпоненты различаются по предназначению. В зависимости от этого они могут быть излучательными и индикаторными. Первые используются в оптоволоконных линиях связи в составе оптических пар. Вторые применяются в устройствах индикации. Осветительные светодиоды относятся, кстати, ко второму типу.

Во-вторых, светодиоды различаются технологиями генерации фотонов и по этому признаку подразделяются на инжекционные и люминофорные. В первых свет вырабатывается напрямую полупроводником при прохождении электрического тока. В люминофорных светодиодах используется принцип вторичной генерации. Эти элементы дают более плотный поток света. Упомянутые выше излучательные светодиоды чаще всего являются именно люминофорными.

Основные характеристики светоизлучающих диодов:

Фотодиоды

Эти полупроводниковые радиокомпоненты в противоположность светодиодам фотонов не излучают. Напротив, для исполнения своих функций фотодиоды сами нуждаются в квантах света. Принцип действия элементов заключается в возникновении обратного тока в результате освещения их каким-либо источником света. В темноте при подаче обратного смещения фотодиод остаётся запертым, но стоит только его осветить, и он открывается. По крайней мере, так процесс выглядит внешне.

На самом деле p-n-переход остаётся закрытым, и через него протекает обычный обратный ток, но к нему добавляется так называемый фототок, который возникает из-за воздействия на полупроводник фотонов внешнего освещения. Поглощение световых квантов в переходной зоне приводит к образованию неосновных носителей заряда на расстоянии от p-n-перехода, которое меньше так называемой диффузионной длины. Благодаря этому и возникает фототок.

В некоторых схемах фотодиод используется в качестве источника тока, работая в гальваническом режиме. То есть в радиокомпоненте при его освещении вырабатывается ток, который далее используется в других частях радиоэлектронного устройства. В этом случае фотодиод не нуждается в обратном смещении. Это упрощает принципиальную схему, что является ценным производственным фактором.

В перечень эксплуатационных достоинств фотодиодов входят следующие:

  1. стабильность фототока;
  2. линейный характер зависимости тока от освещённости;
  3. низкое входное сопротивление при прямом включении;
  4. нетребовательность к температурному режиму.

Относительно температурных требований следует заметить, что в этом смысле наилучшими параметрами обладают германиевые фотодиоды. Их электрические характеристики мало зависят от температуры окружающего воздуха. Это делает германиевые радиокомпоненты предпочтительными для использования в мощных устройствах.

Лавинные фотодиоды

Особенной разновидностью этих полупроводниковых элементов являются лавинные фотодиоды. Такое название они получили по наименованию квантового эффекта, используемого для формирования обратного тока. Механизм действия лавинного фотодиода заключается в следующем. При подаче обратного смещения, превышающего некий критический уровень, происходит лавинный пробой p-n-перехода и через радиокомпонент начинает протекать значительный обратный ток.

В общем и целом, таким же образом себя ведут все полупроводниковые диоды, но только в лавинном фотодиоде сила обратного тока сильно зависит от уровня освещённости. Небольшие и еле заметные глазом изменения силы света влекут за собой значительные колебания обратного тока. Это свойство лавинных фотодиодов используется в различных устройствах автоматизации с повышенными требованиями по чувствительности.

Недостатком обычных и лавинных фотодиодов является сильная зависимость от стабильности параметров обратного смещения. Этот фактор вынуждает использовать в фотодиодных схемах стабилизаторы питающего напряжения.

Фотодиоды: принцип работы. Схема включения фотодиода

Фотодиодом называют полупроводниковый фотоэлектрический прибор, в котором используется внутренний фотоэффект. Устройство фотодиода аналогично устройству обычного плоскостного диода. Отличие состоит в том, что его p–n переход одной стороной обращен к стеклянному окну, через которое поступает свет, и защищен от воздействия света с другой стороны. Фотодиоды могут работать в одном из двух режимов:

– без внешнего источника электрической энергии (вентильный или фотогенераторный, фотогальванический режим);

– с внешним источником электрической энергии (фотодиодный или фотопреобразовательный режим).

Рассмотрим работу фотодиода в вентильном режиме, схема включения представлена на рис.8.7.

Рис 8.7. Схема включения фотодиода для работы в вентильном режиме

При отсутствии светового потока на границе p–n перехода создается контактная разность потенциалов. Через переход навстречу друг другу протекают два тока – I др и I диф, которые уравновешивают друг друга. При освещении p–n перехода фотоны, проходя в толщу полупроводника, сообщают части валентных электронов энергию, достаточную для перехода их в зону проводимости, т.е. за счет внутреннего фотоэффекта генерируются дополнительные пары электрон-дырка. Под действием контактной разности потенциалов p–n перехода неосновные носители заряда n–области – дырки переходят в р–область, а неосновные носители заряда р–области – электроны – в n–область. Дрейфовый ток получает дополнительное приращение, называемое фототоком Дрейф неосновных носителей приводит к накоплению избыточных дырок в р–области, а электронов в n–области, это приводит к созданию на зажимах фотодиода при разомкнутой внешней цепи разности потенциалов, называемой фото-ЭДС Потенциальный барьер перехода, как и при прямом напряжении, уменьшается на величину фото-ЭДС, называемую напряжением холостого хода U хх при разомкнутой внешней цепи. Снижение потенциального барьера увеличивает ток диффузии DI диф основных носителей через переход. Он направлен навстречу фототоку. Поскольку ключ разомкнут, в структуре устанавливается термодинамическое равновесие токов:

Значение фото-ЭДС не может превышать контактной разности потенциалов p–n перехода. В противном случае из-за полной компенсации поля в переходе разделение оптически генерируемых носителей прекращается. Так, например, у селеновых и кремниевых фотодиодов фото-ЭДС достигает 0,5…0,6 В, у фотодиодов из арсенида галлия – 0,87 В.

При подключении нагрузки к освещенному фотодиоду (ключ замкнут), в электрической цепи появится ток, обусловленный дрейфом неосновных носителей. Значение тока зависит от фото-ЭДС и сопротивления нагрузки, максимальный ток при одной и той же освещенности фотодиода будет при сопротивлении резистора, равном нулю, т.е. при коротком замыкании фотодиода. При сопротивлении резистора не равном нулю, ток во внешней цепи фотодиода уменьшается.

Ток, протекающий через фотодиод, можно записать в следующем виде:

где I ф – фототок;

I 0 – тепловой ток p–n перехода;

U – напряжение на диоде.

При разомкнутой внешней цепи (R н =¥, I ф общ =0) легко выразить напряжение на переходе при холостом ходе, которое равно фото-ЭДС:

Фотодиоды, работающие в режиме фотогенератора, часто используются в качестве источников питания, преобразующих энергию солнечного излучения в электрическую.

В фотодиодном или фотопреобразовательном режиме работы последовательно с фотодиодом включается внешний источник энергии, смещающий диод в обратном направлении (рис. 5.12).

Рис.8.8. Схема включения фотодиода для работы в фотодиодном режиме

При отсутствии светового потока и под действием обратно приложенного напряжения через фотодиод протекает обычный начальный обратный ток I о, который называют темновым. Темновой ток ограничивает минимальное значение светового потока. При освещении фотодиода кванты света дополнительно вырывают электроны из валентных связей полупроводника, увеличивая тем самым поток неосновных носителей заряда через p–n переход. Чем больше световой поток, падающий на фотодиод, тем выше концентрация неосновных носителей заряда вблизи запорного слоя, и тем больший фототок, определяемый напряжением внешнего источника и световым потоком, протекает через диод.

При правильно подобранном сопротивлении нагрузки R н и напряжении источника питания этот ток будет зависеть только от освещенности прибора, а падение напряжения на сопротивлении можно рассматривать как полезный сигнал.

Фотодиодный режим характеризуется высокой чувствительностью, большим динамическим диапазоном преобразования оптического излучения, высоким быстродействием (барьерная емкость p–n перехода уменьшается). Недостатком фотодиодного режима работы является большой темновой ток, зависящий от температуры.

5.9. Характеристики и параметры фотодиода

Фотодиод описывается вольтамперной, энергетической (световой), спектральной и частотной характеристиками, приведенными на рис. 8.9, 8.10.

Если к неосвещенному фотодиоду подключить источник напряжения, значение и полярность которого можно изменять, то снятые при этом вольтамперные характеристики будут иметь такой же вид, как у обычного полупроводникового диода (рис. 8.9,а). При освещении фотодиода существенно изменяется лишь обратная ветвь вольтамперной характеристики, прямые же ветви при сравнительно небольших напряжениях практически совпадают.

Рис 8.9. Схема включения фотодиода для работы в вентильном режиме

В квадранте III фотодиод работает в фотодиодном режиме, а в квадранте IV в фотовентильном режиме, и фотоэлемент становится источником электрической энергии. Квадрант I – это нерабочая область для фотодиода, в этом квадранте p–n переход смещен в прямом направлении.

Энергетическая характеристика фотодиода связывает фототок со световым потоком, падающим на фотодиод рис. 8.9,б. При работе фотодиода в вентильном режиме спектральные характеристики существенно зависят от сопротивления резистора, включенного во внешнюю цепь. С ростом нагрузочного сопротивления характеристики все более искривляются и при больших сопротивлениях имеют ярко выраженный участок насыщения. При работе фотодиода в фотодиодном режиме энергетические характеристики линейны, т.е. практически все фотоносители доходят до p–n перехода и участвуют в образовании фототока.

Спектральная характеристика фотодиода аналогична соответствующим характеристикам фоторезистора и зависит от материала фотодиода и количества примесей (рис. 8.10,а).

Рис 8.10. Спектральная (а) и частотная характеристика фотодиода

Селеновые фотодиоды имеют спектральную характеристику, близкую по форме к спектральной зависимости чувствительности человеческого глаза. Германиевые и кремниевые фотодиоды чувствительны как в видимой, так и в инфракрасной части спектра излучения.

Частотная характеристика показывает изменение интегральной чувствительности при изменении яркости светового потока с разной частотой модуляции (рис. 8.1,б). Быстродействие фотодиода характеризуется граничной 0частотой, на которой интегральная чувствительность уменьшается в раз по сравнению со своим низкочастотным значением.

Для повышения чувствительности и быстродействия разработаны следующие фотодиоды: со встроенным электрическим полем; фотодиоды с p–i–n структурой; с барьером Шотки; лавинные фотодиоды.

Фотодиоды со встроенным электрическим полем имеют неравномерно легированную базу, за счет чего возникает внутреннее электрическое поле, которое ускоряет движение неосновных носителей заряда.

Фотодиоды с p–i–n структурой имеют большую толщину области, обедненной основными носителями, i–область имеет удельное сопротивление в 10 6 …10 7 раз больше, чем сопротивление легированных областей n– и p–типов. К переходу можно прикладывать большие обратные напряжения, и однородное электрическое поле устанавливается по всей i–области. Падающее световое излучение поглощается i–областью, имеющей сильное электрическое поле, что способствует быстрому дрейфу носителей в соответствующие области.

У фотодиодов с барьером Шотки за счет минимального сопротивления базы и отсутствия процессов накопления и рассасывания избыточных зарядов достигается высокое быстродействие. У лавинных фотодиодов происходит лавинное размножение носителей в p–n переходе, и за счет этого резко возрастает чувствительность, их быстродействие составляет f гр = 10 11 …10 12 Гц. Эти диоды считаются одними из перспективных элементов оптоэлектроники.

Параметры фотодиодов следующие:

1. Темновой ток I Т – начальный обратный ток, протекающий через диод при отсутствии внешнего смещения и светового излучения (10…20 мкА для германиевых и 1…2 мкА для кремниевых диодов).

2. Рабочее напряжение U p – номинальное напряжение, прикладываемое к фотодиоду в фотодиодном режиме (U p =10…30 В).

3. Интегральная чувствительность S инт показывает, как изменяется фототок при единичном изменении светового потока:

4. Граничная частота f гр – частота, на которой интегральная чувствительность уменьшается в раз (10 7 …10 12 Гц).

Простой фотодиод представляет собой обычный полупроводниковый диод, в котором обеспечивается возможность воздействия оптического излучения на р–n-переход.

В сбалансированном состоянии, когда поток излучения стопроцентно отсутствует, концентрация носителей, рассредотачивание потенциала и энергетическая зонная диаграмма фотодиода стопроцентно соответствуют обыкновенной p-n-структуре.

При воздействии излучения в направлении, перпендикулярном плоскости p-n-перехода, в итоге поглощения фотонов с энергией, большей, чем ширина нелегальной зоны, в n-области появляются электронно-дырочные пары. Эти электроны и дырки именуют фотоносителями .

При диффузии фотоносителей в глубь n-области основная толика электронов и дырок не успевает рекомбинировать и доходит до границы p–n-перехода. Тут фотоносители делятся электронным полем p–n-перехода, при этом дырки перебегают в p-область, а электроны не могут преодолеть поле перехода и накапливаются у границы p–n-перехода и n-области.

Таким образом, ток через p–n-переход обоснован дрейфом неосновных носителей – дырок. Дрейфовый ток фотоносителей именуется фототоком .

Фотоносители – дырки заряжают p-область положительно относительно n-области, а фотоносители – электроны – n-область негативно по отношению к p-области. Возникающая разность потенциалов именуется фотоЭДС Eф. Генерируемый ток в фотодиоде – оборотный, он ориентирован от катода к аноду, при этом его величина тем больше, чем больше освещенность.

Фотодиоды могут работать в одном из 2-ух режимов – без наружного источника электронной энергии (режим фотогенератора) или с наружным источником электронной энергии (режим фотопреобразователя).

Фотодиоды, работающие в режиме фотогенератора, нередко используют в качестве источников питания, модифицирующих энергию солнечного излучения в электронную. Они именуются солнечными элементами и входят в состав солнечных батарей, применяемых на космических кораблях и спутниках.

КПД кремниевых солнечных частей составляет около 20 %, а у пленочных солнечных частей он может иметь существенно большее значение. Необходимыми техническими параметрами солнечных батарей являются дела их выходной мощности к массе и площади, занимаемой солнечной батареей. Эти характеристики добиваются значений 200 Вт/кг и 1 кВт/м2, соответственно.

При работе фотодиода в фотопреобразовательном режиме источник питания Е врубается в цепь в запирающем направлении (рис. 1, а). Употребляются оборотные ветки ВАХ фотодиода при разных освещенностях (рис. 1,б).

Рис. 1. Схема включения фотодиода в фотопреобразовательном режиме: а — схема включения, б — ВАХ фотодиода.

Ток и напряжение на нагрузочном резисторе Rн могут быть определены графически по точкам скрещения ВАХ фотодиода и полосы нагрузки, соответственной сопротивлению резистора Rн. При отсутствии освещенности фотодиод работает в режиме обычного диода. Темновой ток у германиевых фотодиодов равен 10 — 30 мкА, у кремниевых 1 — 3 мкА.

Если в фотодиодах использовать обратимый электронный пробой, сопровождающийся лавинным умножением носителей заряда, как в полупроводниковых стабилитронах, то фототок, а как следует, и чувствительность существенно вырастут.

Чувствительность лавинных фотодиодов может быть на несколько порядков больше, чем у обычных фотодиодов (у германиевых – в 200 – 300 раз, у кремниевых – в 104 – 106 раз).

Лавинные фотодиоды являются быстродействующими фотоэлектрическими устройствами, их частотный спектр может достигать 10 ГГц. Недочетом лавинных фотодиодов является более высочайший уровень шумов по сопоставлению с обыкновенными фотодиодами.

Рис. 2. Схема включения фоторезистора (а), УГО (б), энергетическая (в) и вольт-амперная (г) свойства фоторезистора.

Не считая фотодиодов, используются фоторезисторы (рис 2), фототранзисторы и фототиристоры, в которых используется внутренний фотоэффект. Соответствующим недостатком их является высочайшая инерционность (граничная рабочая частота fгр

Конструкция фототранзистора подобна обыкновенному транзистору, у которого в корпусе имеется окошко, через которое может освещаться база. УГО фототранзистора – транзистор с 2-мя стрелками, направленными к нему.

Светодиоды и фотодиоды нередко употребляются в паре. При всем этом они помещаются в один корпус таким образом, чтоб светочувствительная площадка фотодиода размещалась напротив излучающей площадки светодиода. Полупроводниковые приборы, использующие пары «светодиод – фотодиод», именуются оптронами (рис. 3).

Рис. 3. Оптрон: 1 – светодиод, 2 – фотодиод

Входные и выходные цепи в таких устройствах оказываются электрически никак не связанными, так как передача сигнала осуществляется через оптическое излучение.

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

Основные виды фотоэлектронных приборов. Общие сведения

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

Фоторезисторы — изменяют сопротивление при освещении

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

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

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

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

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

На ней изображена зависимость тока от напряжения при различных величинах светового потока: Ф — темнота, а Ф3 — это яркий свет. Она линейна. Еще одна важная характеристика — это чувствительность, она измеряется в мА(мкА)/(Лм*В). Что отражает, сколько тока протекает через резистор, при определенном световом потоке и приложенном напряжении.

Темновое сопротивление — это активное сопротивление при полном отсутствии освещения, обозначается Rт, а характеристика Rт/Rсв — это кратность изменения сопротивления от состояния фоторезистора в полном отсутствии освещения к максимально освещенному состоянию и минимально возможному сопротивлению соответственно.

У фоторезисторов есть существенный недостаток — его граничная частота. Это величина описывает максимальную частоту синусоидального сигнала, которым вы моделируете световой поток, при которой чувствительность снижается на 1.41 раз. В справочниках это отражается либо значением частоты, либо через постоянную времени. Она отражает быстродействие приборов, которое обычно занимает десятки микросекунд — 10^(-5) с. Это не позволяет использовать его там, где нужно высокое быстродействие.

Фотодиод — преобразует свет в электрический заряд

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

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

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

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

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

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

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

Фототок Iф равен:

где Sинт — интегральная чувствительность, Ф — световой поток.

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

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

Фототранзисторы — открываются от количества падающего света

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

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

В схему включают фототранзисторы подобным образом.

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

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

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

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

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

Области применения фотоэлектронных приборов

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

В компьютерных мышках также используется технология связанная с фотоэлектронными приборами.

Применение для передачи сигналов в электронных схемах

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

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

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

Рассмотрим пару примеров использования таких приборов.

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

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

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

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

Принцип действия фотодиода

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

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

Свойства фотодиода можно охарактеризовать следующими характеристиками:

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

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

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

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

Темновое сопротивление — сопротивление фотодиода в отсутствие освещения.

Интегральная чувствительность определяется формулой:

где 1ф — фототок, Ф — освещенность.

Существует три физических фактора, влияющих на инерционность:

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

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

3. Время перезарядки барьерной емкости р-п перехода, характеризующееся постоянной времени RC6ap.

Толщина р-п перехода, зависящая от обратного напряжения и концентрации примесей в базе, обычно меньше 5 мкм, а значит, т, — 0,1 не. RC6ap определяется барьерной емкостью р-п перехода, зависящей от напряжения и сопротивления базы фотодиода при малом сопротивлении нагрузки во внешней цепи. Величина RC6ap обычно составляет нескольких наносекунд.

Расчет КПД фотодиода и мощности

КПД вычисляется по формуле:

где Росв — мощность освещенности; I — сила тока;

U — напряжение на фотодиоде.

Расчет мощности фотодиода иллюстрирует рис. 2.12 и таблица 2.1.

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

Максимальная мощность фотодиода соответствует максимальной площади данного прямоугольника.


Таблица 2.1. Зависимость мощности от КПД

Мощность освещенности, мВт

Применение фотодиода в олтоэлектронике

Фотодиод является составным элементом во многих сложных оптоэлектронных устройствах:

Оптоэлектронные интегральные микросхемы.

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

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

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

Как происходит восприятие образов?

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

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

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

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

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

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

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

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

Каждый электрик должен знать:  Усилительные свойства схемы с ОБ

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

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

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

1. Энергетические характеристики фотодиода связывают фототок со световым потоком, падающим на фотодиод. Зависимость фототока от светового потока при работе фотодиода в генераторном режиме — является строго линейной только при короткозамкнутом фотодиоде . С ростом нагрузочного сопротивления характеристики все больше искривляются и при больших имеют ярко выраженную область насыщения (рис. 3.12, а). При работе фотодиода в схеме с внешним источником напряжения энергетические характеристики значительно ближе к линейным. При увеличении приложенного напряжения фототок несколько возрастает (рис. 3.12, б). Это объясняется расширением области -перехода и уменьшением ширины базы, в результате чего меньшая часть носителей заряда рекомбинирует в базе при движении к -переходу.

2. Абсолютные и относительные спектральные характеристики фотодиода аналогичны соответствующим характеристикам фоторезистора и зависят от материала фотодиода и введенных примесей (рис. 3.12, в).

Спектральные характеристики практически захватывают всю видимую (300-750 нм) и инфракрасную области спектра.

4. Частотная характеристика показывает изменение интегральной чувствительности при изменении яркости светового потока с разной частотой излучения (рис. 3.12, г). Иногда инерционные свойства фотодиода характеризуют граничной частотой, на которой интегральная чувствительность уменьшается в раз по сравнению со своим статическим значением.

Рис. 3.12. Энергетические характеристики фотодиода в режиме (а) и при работе с внешним источником (б); относительные спектральные и частотные характеристики

Граничная частота быстродействующих кремниевых фотодиодов — порядка Гц.

Для повышения быстродействия и увеличения чувствительности в последние годы разработан ряд фотодиодов; со встроенным электрическим полем; на основе с барьерами Шотки; лавинные фотодиоды и т. д.

В фотодиодах с встроенным электрическим полем базу получают с помощью процесса диффузии. Из-за неравномерного распределения концентрации примесей в ней возникает внутреннее электрическое поле, которое ускоряет движение неосновных носителей заряда к -переходу.

Вследствие наложения диффузионного и дрейфового движений фотодиода несколько возрастает.

Фотодиоды, выполненные на основе , имеют значительно большую толщину области, обедненной основными носителями заряда, так как между р- и -областями имеется -область с собственной электропроводностью. К переходу без риска пробить его можно приложить значительные напряжения. В результате возникает ситуация, когда световое излучение поглощается непосредственно в области, обедненной основными носителями заряда, в которой создано электрическое поле высокой напряженности. Электроны и дырки, возникающие в области перехода при световом облучении, мгновенно перекидываются в соответствующие области. В результате быстродействие резко возрастает и f достигает значений Гц.

Аналогичными по быстродействию являются фотодиоды на основе барьера Шотки. Они выполняются из кремния, на поверхность которого нанесено прозрачное металлическое покрытие из пленок золота мкм) и сернистого цинка 01 к 0,05 мкм), создающее барьер Шотки. Благодаря минимальному сопротивлению базы и отсутствию процессов накопления и рассасывания избыточных зарядов быстродействие получается достаточно высоким Гц).

В лавинных фотодиодах используется лавинный пробой -перехода или барьера Шотки. От обычных фотодиодов они отличаются тем, что возникшие в результате светового облучения носители заряда лавинно размножаются в области -перехода вследствие ударной ионизации. Выбором внешнего напряжения и параметров цепи обеспечивается возникновение лавинного пробоя только при световом облучении. Этот процесс приводит к тому, что ток в цепи увеличивается по сравнению с током , обусловленным световой генерацией и тепловым током перехода, в раз (М-коэффициент лавинного умножения носителей.

Коэффициент лавинного умножения описывается зависимостью

Принцип действия фотодиода

При поглощении квантов света в p-n переходе или в прилегающих к нему областях образуются новые носители заряда. Неосновные носители заряда, возникшие в областях, прилегающих к p-n переходу на расстоянии, не превышающей диффузионной длины, диффундируют в p-n переход и проходят через него под действием электрического поля. То есть обратный ток при освещении возрастает. Поглощение квантов непосредственно в p-n переходе приводит к аналогичным результатам. Величина, на которую возрастает обратный ток, называется фототоком.

Свойства фотодиода можно охарактеризовать следующими характеристиками.

  • а) вольт-амперная характеристика фотодиода представляет собой зависимость светового тока при неизменном световом потоке и темнового тока Iтемн от напряжения.
  • б) световая характеристика фотодиода, то есть зависимость фототока от освещенности, соответствует прямой пропорциональности фототока от освещенности. Это обусловлено тем, что толщина базы фотодиода значительно меньше диффузионной длины неосновных носителей заряда. То есть практически все неосновные носители заряда, возникшие в базе, принимают участие в образовании фототока.
  • г) спектральная характеристика фотодиода — это зависимость фототока от длины волны падающего света на фотодиод. Она определяется со стороны больших длин волн шириной запрещенной зоны, при малых длинах волн большим показателем поглощения и увеличения влияния поверхностной рекомбинации носителей заряда с уменьшением длины волны квантов света. То есть коротковолновая граница чувствительности зависит от толщины базы и от скорости поверхностной рекомбинации. Положение максимума в спектральной характеристике фотодиода сильно зависит от степени роста коэффициента поглощения.
  • д) постоянная времени — это время, в течение которого фототок фотодиода изменяется после освещения или после затемнения фотодиода в е раз (63%) по отношению к установившемуся значению.
  • е) темновое сопротивление — сопротивление фотодиода в отсутствие освещения.
  • ж) интегральная чувствительность

Существует 3 физических фактора, влияющих на инерционность: 1) время диффузии или дрейфа неравновесных носителей через базу ; 2) время пролета через p-n переход i ; 3) время перезарядки барьерной емкости p-n перехода, характеризующееся постоянной времени RСбар.

Фотодиоды принцип работы основные характеристики. Фотодиоды

В электротехнике широко используются различные приборы и устройства, связанные с особенностями и физическими свойствами материалов. Среди них особое место занимают фотодиоды, принцип работы которых основан на воздействии оптического излучения. В результате, материал изменяет свои качества, что позволяет ему выполнять различные функции в электрических цепях.

Принцип действия фотодиода

Простой фотодиод является обыкновенным полупроводниковым диодом с р-п-переходом, на который оказывает действие оптическое излучение. При полном отсутствии светового потока, диод находится в состоянии равновесия и обладает обычными свойствами.

Действие излучения направлено перпендикулярно относительно плоскости, где расположен р-п-переход. Энергия, с которой поглощаются фотоны, превышает ширину запрещенной зоны, что приводит к возникновению электронно-дырочных пар. Данные пары, состоящие из электронов и дырок, получили наименование фотоносителей.

Когда фотоносители проникают внутрь п-области, электроны и дырки, в основной массе не успевают распадаться на составляющие и подходят непосредственно к границе р-п-перехода. В этом месте происходит разделение фотоносителей с помощью электрического поля. В результате, дырки попадают в р-область. Электроны же не в состоянии пройти через поле, окружающее переход, поэтому начинается их скапливание возле п-области и у границы перехода. Таким образом, прохождение тока через переход полностью зависит от движения дырок. Данный вид тока с участием фотоносителей получил название фототока.

Под воздействием фотоносителей-дырок в р-области по отношению к п-области возникает положительный заряд. Таким же образом, п-область заряжается отрицательно относительно р-области. Происходит возникновение разности потенциалов, именуемой фото-ЭДС. Ток, сгенерированный в фотодиоде, имеет обратное значение и направление от катода к аноду. Величина этого тока возрастает в зависимости от увеличения степени освещенности. Работа фотодиодов может осуществляться в двух режимах. В первом случае используется фотогенераторный режим, не предусматривающий внешний источник электроэнергии. В режиме фотопреобразователя необходимо использование внешнего источника электроэнергии.

Режим фотогенератора позволяет использовать фотодиоды как источники питания, преобразующие солнечное излучение в электрическую энергию. Они используются в качестве . Коэффициент полезного действия элементов на основе кремния составляет примерно 20%. КПД у пленочных конструкций может быть значительно выше.

В работе фотодиодом нередко используется свойство обратимого электрического пробоя. В результате, количество носителей заряда умножается лавинообразно, по аналогии с полупроводниковыми стабилитронами. Происходит значительный рост фототока и чувствительности фотодиодов. Данное значение превышает обычные параметры в сотни раз.

Частота лавинных фотодиодов достигает величины до 10 ГГц, что позволяет использовать их в качестве быстродействующих фотоэлектрических приборов. Единственным недостатком этих устройств является повышенный уровень шума. Фотодиоды очень часто используются в паре со светодиодами. Они размещаются в общем корпусе, при этом, расположение светочувствительной площадки фотодиода наиболее оптимально к излучающей светодиодной площадке. Данные приборы получили название оптронов. Электрические связи совершенно не касаются входных и выходных цепей, поскольку сигналы передаются путем оптического излучения.

Характеристики фотодиодов

Если рассматривать в целом непосредственно фотодиоды, принцип действия и другие параметры этих устройств, следует отметить то, как выходная мощность соотносится с общей массой и площадью солнечной батареи. Максимальное значение этих параметров может достигать соответственно 200 ватт на 1 кг и 1 киловатт на 1 м2.

Кроме того, значение имеет вольт-амперная характеристика, в которой выходное напряжение зависит от выходного тока. Значение спектральных характеристик показывает соотношение фототока и величины световых волн, падающих на фотодиод. Максимальное значение данного параметра находится в прямой зависимости от того, насколько возрастает коэффициент поглощения.

Фототок и освещенность определяют световую характеристику фотодиода. Обе величины имеют между собой прямую пропорциональную зависимость. Эта величина представляет временной отрезок, на протяжении которого происходят изменения после того как фотодиод освещен или затемнен. Показатель соотносится с установленным значением. Фотодиод также характеризуется в соответствии с сопротивлением при отсутствии освещения и другими параметрами, определяющими его работоспособность и область практического применения.

Простой фотодиод представляет собой обычный полупроводниковый диод, в котором обеспечивается возможность воздействия оптического излучения на р–n-переход.

В сбалансированном состоянии, когда поток излучения стопроцентно отсутствует, концентрация носителей, рассредотачивание потенциала и энергетическая зонная диаграмма фотодиода стопроцентно соответствуют обыкновенной p-n-структуре.

При воздействии излучения в направлении, перпендикулярном плоскости p-n-перехода, в итоге поглощения фотонов с энергией, большей, чем ширина нелегальной зоны, в n-области появляются электронно-дырочные пары. Эти электроны и дырки именуют фотоносителями .

При диффузии фотоносителей в глубь n-области основная толика электронов и дырок не успевает рекомбинировать и доходит до границы p–n-перехода. Тут фотоносители делятся электронным полем p–n-перехода, при этом дырки перебегают в p-область, а электроны не могут преодолеть поле перехода и накапливаются у границы p–n-перехода и n-области.

Таким образом, ток через p–n-переход обоснован дрейфом неосновных носителей – дырок. Дрейфовый ток фотоносителей именуется фототоком .

Фотоносители – дырки заряжают p-область положительно относительно n-области, а фотоносители – электроны – n-область негативно по отношению к p-области. Возникающая разность потенциалов именуется фотоЭДС Eф. Генерируемый ток в фотодиоде – оборотный, он ориентирован от катода к аноду, при этом его величина тем больше, чем больше освещенность.

Фотодиоды могут работать в одном из 2-ух режимов – без наружного источника электронной энергии (режим фотогенератора) или с наружным источником электронной энергии (режим фотопреобразователя).

Фотодиоды, работающие в режиме фотогенератора, нередко используют в качестве источников питания, модифицирующих энергию солнечного излучения в электронную. Они именуются солнечными элементами и входят в состав солнечных батарей, применяемых на космических кораблях и спутниках.

КПД кремниевых солнечных частей составляет около 20 %, а у пленочных солнечных частей он может иметь существенно большее значение. Необходимыми техническими параметрами солнечных батарей являются дела их выходной мощности к массе и площади, занимаемой солнечной батареей. Эти характеристики добиваются значений 200 Вт/кг и 1 кВт/м2, соответственно.

При работе фотодиода в фотопреобразовательном режиме источник питания Е врубается в цепь в запирающем направлении (рис. 1, а). Употребляются оборотные ветки ВАХ фотодиода при разных освещенностях (рис. 1,б).

Рис. 1. Схема включения фотодиода в фотопреобразовательном режиме: а — схема включения, б — ВАХ фотодиода.

Ток и напряжение на нагрузочном резисторе Rн могут быть определены графически по точкам скрещения ВАХ фотодиода и полосы нагрузки, соответственной сопротивлению резистора Rн. При отсутствии освещенности фотодиод работает в режиме обычного диода. Темновой ток у германиевых фотодиодов равен 10 — 30 мкА, у кремниевых 1 — 3 мкА.

Если в фотодиодах использовать обратимый электронный пробой, сопровождающийся лавинным умножением носителей заряда, как в полупроводниковых стабилитронах, то фототок, а как следует, и чувствительность существенно вырастут.

Чувствительность лавинных фотодиодов может быть на несколько порядков больше, чем у обычных фотодиодов (у германиевых – в 200 – 300 раз, у кремниевых – в 104 – 106 раз).

Лавинные фотодиоды являются быстродействующими фотоэлектрическими устройствами, их частотный спектр может достигать 10 ГГц. Недочетом лавинных фотодиодов является более высочайший уровень шумов по сопоставлению с обыкновенными фотодиодами.

Рис. 2. Схема включения фоторезистора (а), УГО (б), энергетическая (в) и вольт-амперная (г) свойства фоторезистора.

Не считая фотодиодов, используются фоторезисторы (рис 2), фототранзисторы и фототиристоры, в которых используется внутренний фотоэффект. Соответствующим недостатком их является высочайшая инерционность (граничная рабочая частота fгр

Конструкция фототранзистора подобна обыкновенному транзистору, у которого в корпусе имеется окошко, через которое может освещаться база. УГО фототранзистора – транзистор с 2-мя стрелками, направленными к нему.

Светодиоды и фотодиоды нередко употребляются в паре. При всем этом они помещаются в один корпус таким образом, чтоб светочувствительная площадка фотодиода размещалась напротив излучающей площадки светодиода. Полупроводниковые приборы, использующие пары «светодиод – фотодиод», именуются оптронами (рис. 3).

Рис. 3. Оптрон: 1 – светодиод, 2 – фотодиод

Входные и выходные цепи в таких устройствах оказываются электрически никак не связанными, так как передача сигнала осуществляется через оптическое излучение.

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

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.

Другие материалы по теме

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

2. Унифицированные сигналы ИП

3. Назначение обратных ИП

1. Фотодиоды свойства, схемы включения, применение.

Фотодио́д (ФД) приёмник оптического излучения, который преобразует падающий на его фоточувствительную область поток в электрический заряд за счёт процессов в p-n-переходе.

На рис. 9 приведена структурная схема фотодиода с элементами внешней цели.

Ф-поток электромагнитного излучения;

Е-напряжение источника постоянного тока;

Рис. 9. Структурная схема фотодиода

При освещении p-n перехода монохроматическим излучением с энергией фотонов > ( – ширина запрещенной зоны) имеет место собственное поглощение квантов излучения и генерируются неравновесные фотоэлектроны и фотодырки. Под действием электрического поля перехода эти фотоносители перемещаются: электроны — в n-область, а дырки — в р-область, т.е. через переход течет дрейфовый ток неравновесных носителей. Ток фотодиода определяется током неосновных носителей.

Уравнение, определяющее световые и вольт-амперные характеристики фотогальванических элементов, может быть представлено в следующем виде:

где — темновой ток «утечки» через p- n переход;

— ток насыщения, т. е. абсолютное значение величины, к которой стремится темновой ток при ;

A – коэффициент, зависящий от материала фотоэлемента и имеющий значение от 1 до 4(для германиевых фотодиодов он равен 1);

Семейство вольт-амперных характеристик освещенного фотодиода показано на рисунке 10.

Рис. 10. Вольт-амперная характеристика фотодиода

Семейство ВАХ фотодиода расположено в квадрантах I, III, IV. Квадрант I-это нерабочая область для фотодиода, в этом режиме фотоуправление током через диод невозможно.

Квадрант IV семейства ВАХ фотодиода соответствует фотогальваническому режиму работы ФД. Если цель разомкнута, то концентрация электронов в n-области и дырок в p-области увеличивается, поле объемного заряда атомов примеси в переходе частично компенсируется и потенциальный барьер снижается. Это снижение происходит на величину фотоЭДС, называемую напряжением холостого хода фотодиода Uxx. Значение Uxx для ФД составляет 0,5-0,55В для GaAs — арсенид галлия Uxx=0,8÷0,9В и не может превышать контактную разность потенциалов перехода, поскольку при этом полностью компенсируется электрическое поле и разделение фотоносителей в переходе прекращается.

Если p- и n- области соединить внешним проводником (режим короткого замыкания), то Uxx=0 и в проводнике потечет ток короткого замыкания , образованный неравновесными фотоносителями.

Промежуточные значения определяются линиями нагрузки, которые при разных значениях выходят из начала координат под разным углом. При заданном значении тока по ВАХ ФД можно выбрать оптимальный режим работы фотодиода, при котором в нагрузку будет передаваться наибольшая электрическая мощность.

Основными световыми характеристиками фотодиода в фотогальваническом режиме являются зависимости тока короткого замыкания от светового потока и напряжения холостого хода от светового потока Uхх = , их типовые зависимости показаны на рисунке 11.

Как видно из рис.11 зависимость линейна в широком диапазоне Ф и лишь при значительных световых потоках (Ф>2000…3000лм) начинает проявляться нелинейность.

Зависимость Uxx =также линейна, но при световых потоках, не превышающих 200÷300лм, имеет существенную нелинейность при Ф более 4000лм. Нелинейность при увеличении Ф объясняется ростом падения напряжения на объемном сопротивлении базы фотодиода, а нелинейность Uхх = — уменьшением потенциального барьера при росте Ф.

Характеристики ФД в сильной степени зависят от температуры. Для кремниевых ФД Uxx падает на 2.5 мВ при увеличении температуры на 1˚С, при этом, Iкз увеличивается в относительных единицах на 3∙10 -3 1/˚С.

Рис. 11. Световые характеристики фотодиода

Квадрант III-это фотодиодная область работы ФД, при которой к p-n переходу прикладывается обратное напряжение (рис.9)

ВАХ нагрузочного резистора представляет собой прямую линию, уравнение которой имеет вид:

где — обратное напряжение на ФД,

Фотодиод и нагрузочный резистор соединены последовательно, т.е. через них протекает один и тот же ток . Этот ток можно определить по точке пересечения ВАХ фотодиода и нагрузочного сопротивления.

Таким образом, в фотодиодном режиме при заданном потоке излучения Ф фотодиод является источником тока по отношению к внешней цепи. Причем значение тока от параметров внешней цепи (,) практически не зависит.

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 (IPD) 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.

Понятие и устройство фотодиода

Принцип действия фотодиода. Изучение его световых и спектральных характеристик. Применение фотодиода в оптоэлектронике. Создание многоэлементных фотоприемников и полупроводниковых приборов. Фотоэлектрические явления в полупроводниках и диэлектриках.

Рубрика Коммуникации, связь, цифровые приборы и радиоэлектроника
Вид реферат
Язык русский
Дата добавления 23.12.2020
Размер файла 20,2 K

Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже

Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

1. Понятие и устройство фотодиода

Фотодиод, полупроводниковый диод, обладающий свойством односторонней фотопроводимости при воздействии на него оптического излучения. Ф. представляет собой полупроводниковый кристалл обычно с электронно-дырочным переходом (р-n-переходом), снабженный 2 металлическими выводами (один от р-, другой от n-области) и вмонтированный в металлический или пластмассовый защитный корпус. Материалами, из которых выполняют Ф., служат Ge, Si, GaAs, HgCdTe и др.

Различают 2 режима работы Ф.: фотодиодный, когда во внешней цепи Ф. содержится источник постоянного тока, создающий на р-n-переходе обратное смещение, и вентильный, когда такой источник отсутствует. В фотодиодном режиме Ф., как и фоторезистор, используют для управления электрическим током в цепи Ф. в соответствии с изменением интенсивности падающего излучения. Возникающие под действием излучения неосновные носители диффундируют через р-n-переход и ослабляют электрическое поле последнего. Фототок в Ф. в широких пределах линейно зависит от интенсивности падающего излучения и практически не зависит от напряжения смещения. В вентильном режиме Ф., как и полупроводниковый фотоэлемент, используют в качестве генератора фотоэдс.

Основные параметры Ф.: 1) порог чувствительности (величина минимального сигнала, регистрируемого Ф., отнесённая к единице полосы рабочих частот), достигает 10-14 вт/гц1/2; 2) уровень шумов — не свыше 10-9 а; 3) область спектральной чувствительности лежит в пределах 0,3-15 мкм; 4) спектральная чувствительность (отношение фототока к потоку падающего монохроматического излучения с известной длиной волны) составляет 0,5-1 а/вт; 5) инерционность (время установления фототока) порядка 10-7-10-8 сек. В лавинном Ф., представляющем собой разновидность Ф. с р-n-cтруктурой, для увеличения чувствительности используют т. н. лавинное умножение тока в р-n-переходе, основанное на ударной ионизации атомов в области перехода фотоэлектронами. При этом коэффициент лавинного умножения составляет 102-104. Существуют также Ф. с р-i-n-cтруктурой, близкие по своим характеристикам к Ф. с р-n-cтруктурой; по сравнению с последними они обладают значительно меньшей инерционностью (до 10-10 сек).

Ф. находят применение в устройствах автоматики, лазерной техники, вычислительной техники, измерительной техники и т.п.

2. Принцип действия фотодиода

При поглощении квантов света в p-n переходе или в прилегающих к нему областях образуются новые носители заряда. Неосновные носители заряда, возникшие в областях, прилегающих к p-n переходу на расстоянии, не превышающей диффузионной длины, диффундируют в p-n переход и проходят через него под действием электрического поля. То есть обратный ток при освещении возрастает. Поглощение квантов непосредственно в p-n переходе приводит к аналогичным результатам. Величина, на которую возрастает обратный ток, называется фототоком.

Свойства фотодиода можно охарактеризовать следующими характеристиками.

а) вольт-амперная характеристика фотодиода представляет собой зависимость светового тока при неизменном световом потоке и темнового тока Iтемн от напряжения.

б) световая характеристика фотодиода, то есть зависимость фототока от освещенности, соответствует прямой пропорциональности фототока от освещенности. Это обусловлено тем, что толщина базы фотодиода значительно меньше диффузионной длины неосновных носителей заряда. То есть практически все неосновные носители заряда, возникшие в базе, принимают участие в образовании фототока.

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

д) постоянная времени — это время, в течение которого фототок фотодиода изменяется после освещения или после затемнения фотодиода в е раз (63%) по отношению к установившемуся значению.

е) темновое сопротивление — сопротивление фотодиода в отсутствие освещения.

ж) интегральная чувствительность

Существует 3 физических фактора, влияющих на инерционность: 1) время диффузии или дрейфа неравновесных носителей через базу ; 2) время пролета через p-n переход i ; 3) время перезарядки барьерной емкости p-n перехода, характеризующееся постоянной времени RСбар.

3. Применение фотодиода в оптоэлектронике

Фотодиод является составным элементом во многих сложных оптоэлектронных устройствах. И поэтому он находит широкое применение.

а) оптоэлектронные интегральные микросхемы.

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

б) многоэлементные фотоприемники.

Эти приборы (сканистор, мишень кремникона, фотодиодная матрица с управлением на МОП-транзисторе, фоточувствительные приборы с зарядовой связью и другие) относятся к числу наиболее быстро развивающихся и прогрессирующих изделий электронной техники. Сочетая в себе успехи физики дискретных фотоприемников и новейшие технологические достижения больших интегральных схем, многоэлементные фотоприемники вооружают оптоэлектронику твердотельным «глазом», способным реагировать не только на яркостно-временные, но и на пространственные характеристики объекта, то есть воспринимать его полный зрительный образ.

Для успешного выполнения этих функций необходимо, чтобы число элементарных фоточувствительных ячеек в приборе было достаточно большим, поэтому кроме всех проблем дискретного фотоприемника (чувствительность, быстродействие, спектральная область) приходится решать и проблему считывания информации. Все многоэлементные фотоприемники представляют собой сканирующие системы, то есть устройства, позволяющие производить анализ исследуемого пространства путем последовательного его просмотра (поэлементного разложения).

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

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

Оптроном называется такой оптоэлектронный прибор, в котором имеются источник и приемник излучения с тем или иным видом оптической и электрической связи между ними, конструктивно объединенные и помещенные в один корпус.

В электронной схеме оптрон выполняет функцию элемента связи, в одном из звеньев которого информация передается оптически. Это основное назначение оптрона. Если между компонентами оптрона создать электрически обратную связь, то оптрон может стать активным прибором, пригодным для усиления и генерации электрических и оптических сигналов.

Принципиальное отличие оптронов как элементов связи заключается в использовании для переноса информации электрически нейтральных фотонов, что обуславливает ряд достоинств оптронов, которые присущи и всем остальным оптоэлектронным приборам в целом. Хотя у оптронов есть, разумеется, и свои недостатки.

Оптронная техника базируется на достижениях в области физики и технологии излучателей и фотоприемников.

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

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

В будущем крайне важно повышение рабочей температуры фотодиодов. Оценивая сегодняшнюю оптоэлектронику в целом, можно сказать, что она скорее «криогенная», чем «комнатная».

Будущее оптоэлектроники находится в прямой зависимости от прогресса фотодиодных структур. Оптическая электроника бурно развивается, разрабатываются новые типы фотоприемников, и наверняка уже скоро появятся фотодиоды на основе новых материалов с большей чувствительностью, повышенным быстродействием и с улучшенными характеристиками в целом.

фотодиод оптоэлектроника полупроводник

Роках А. Г. Фотоэлектрические явления в полупроводниках и диэлектриках. — Саратов: Издательство Саратовского университета, 1984.

Названов В. Ф. Основы оптоэлектроники. — Саратов: Издательство Саратовского университета, 1980.

Носов Ю. Р. Оптоэлектроника. — М.: Советское радио, 1977.

Василевский А. М. и др. Оптическая электроника/ А. М. Василевский, М. А. Кропоткин, В. В. Тихонов. — Л.: Энергоатомиздат. Ленингр. Отд-ние, 1990.

Шалимова К. В. Физика полупроводников. — М.: Энергия, 1976.

Пасынков В.В. и др. Полупроводниковые приборы. / В.В. Пасынков, Л.К. Чиркин, А.Д. Шинков. — М.: Высшая школа, 1973.

Размещено на Allbest.ru

Подобные документы

Приёмник оптического излучения. Структурная схема фотодиода. Зависимость выходного напряжения от входного тока, фототока от освещённости. Сопротивление фотодиода в отсутствие освещения. Обеспечение чувствительности в длинноволновой части спектра.

презентация [106,9 K], добавлен 09.04.2014

Описание разработки прибора. Параметры оптических приборов, используемых в проекте. Электрические и тепловые характеристики реле КР293КП4В. Выходная емкость реле в выключенном состоянии. Напряжение его изоляции. Характеристики фотодиода ФД263-01.

курсовая работа [928,2 K], добавлен 26.04.2010

Описание схемы автоматического включателя освещения на базе датчика движения, его внутренняя структура и элементы, принцип работы, специфика и сферы практического применения. Описание симистора и фотодиода, их функциональные особенности и назначение.

курсовая работа [180,4 K], добавлен 04.09.2014

Технологический маршрут производства полупроводниковых компонентов. Изготовление полупроводниковых пластин. Установка кристаллов в кристаллодержатели. Сборка и герметизация полупроводниковых приборов. Проверка качества и электрических характеристик.

курсовая работа [3,0 M], добавлен 24.11.2013

Схема включения фотоприемника. Принципиальная электронная схема предварительного усилителя, обеспечивающая согласование с приемником. Сигнал на выходе фотоприемного устройства. Спектральная чувствительность фотодиода. Усилитель сигнала на транзисторе.

контрольная работа [1,0 M], добавлен 30.04.2011

Определение требуемой ширины полосы частот ФП и длительности тактового интервала. Особенности расчета минимальной мощности оптического излучения на входе фотоприемника. Выбор типа транзистора входного каскада усилителя ФПУ. Выбор необходимого фотодиода.

курсовая работа [1,3 M], добавлен 14.01.2013

Физические элементы полупроводниковых приборов. Электрический переход. Резкий переход. Плоскостной переход. Диффузионный переход. Планарный переход. Явления в полупроводниковых приборах. Виды полупроводниковых приборов. Элементы конструкции.

реферат [17,9 K], добавлен 14.02.2003

Роль полупроводников в микро- и оптоэлектронике. Классификация полупроводниковых материалов. Диапазон электрических параметров различных полупроводников. Особые физико-химические свойства кремния. Применение германия в полупроводниковых приборах.

контрольная работа [1,0 M], добавлен 15.12.2015


Применение компьютерных программ моделирования для изучения полупроводниковых приборов и структур. Оценка влияния режимов работы и внешних факторов на их основные электрические характеристики. Изучение особенностей основных полупроводниковых приборов.

дипломная работа [4,8 M], добавлен 16.05.2013

Физические принципы функционирования электронных приборов. Дефекты реальных кристаллов. Искажение кристаллической решетки в твердых растворах внедрения и замещения. Принцип работы биполярных транзисторов. Поверхностные явления в полупроводниках.

контрольная работа [3,1 M], добавлен 04.10.2010

Работы в архивах красиво оформлены согласно требованиям ВУЗов и содержат рисунки, диаграммы, формулы и т.д.
PPT, PPTX и PDF-файлы представлены только в архивах.
Рекомендуем скачать работу.

Фотодиоды: устройство, характеристики и принципы работы

Фотодиод – быстродействующее линейное устройство, которое обладает высокой квантовой эффективностью, и генерирует фототок, когда свет поглощается в обедненной области полупроводникового перехода. На рис. 1 представлена эквивалентная схема, отражающая принцип работы фотодиода.

Рис.1 Эквивалентная схема фотодиода

Уровень выходного тока фотодиода определяется по формуле:

Чувствительность фотодиода определяется как отношение генерируемого фототока (IPD) к мощности (P) падающего излучения на заданной длине волны.

Режимы работы (Фотодиодный и Фотогальванический)

Фотодиоды могут работать в двух режимах: фотогальваническом (без внещнего источника эдс) и фотодиодном (с подачей на p- n- переход обратного смещения от внешнего источника эдс). Выбор режима работы зависит от требований к быстродействию и допустимого значения темнового тока (ток обратно смещенного p-n перехода)

В фотодиодном режиме используется источник питания, который смещает фотодиод в обратном направлении (фотодетекторы DET серии от компании Thorlabs). При этом через фотодиод течет обратный ток, пропорциональный падающей мощности излучения. Приложение напряжения обратного смещения расширяет обедненный слой, что приводит к уменьшению емкости перехода и обеспечивает линейность отклика. Работа в фотодиодном режиме характеризуется большими значениями темнового тока. Его величина зависит от материала полупроводника.

В фотогальваническом режиме фотодиод работает без внешнего источника питания (напряжение обратного смещения отсутствует). Принцип действия фотодиода в этом режиме основан на фотогальваническом эффекте. В таком режиме он может работать в качестве датчика или в качестве элемента питания (солнечной батареи). В фотогальваническом режиме темнового тока принимает минимальные значения.

Темновой ток – это ток утечки, который растет при увеличении напряжения обратного смещения. При работе в фотодиодном режиме наблюдаются более высокие значения темнового тока, которые зависят от температуры окружающей среды. При увеличении температуры на 10 °C величина темнового тока увеличивается примерно в 2 раза, а шунтирующее сопротивление удваивается при увеличении температуры на 6 °C. Чем выше напряжение смещения, тем меньше емкость перехода, но тем больше величина темнового тока.

Темновой ток также зависит от материала полупроводника и размера активной области. Например, у кремниевых фотодиодов значения темнового тока значительно ниже, чем у германиевых. В таблице ниже представлены различные полупроводниковые материалы и их относительные значения темнового тока, чувствительности, быстродействия и стоимости.

Видимый – Ближний ИК

Фосфид галлия (GaP)

Арсенид галлия-индия (InGaAs)

Антимонид арсенида индия (InAsSb)

Ближний – Средний ИК

Кадмий-ртуть-теллур (MCT, HgCdTe)

Ближний – Средний ИК

Емкость перехода (Cj) является важной характеристикой фотодиода и имеет большое влияние на быстродействие и ширину полосы пропускания фотоприемника. Следует отметить, что емкость p-n перехода зависит от его площади и ширины (она тем больше, чем больше площадь перехода). Приложение напряжения обратного смещения приводит к увеличению ширины обедненного слоя, и таким образом к уменьшению емкости и росту быстродействия.

Ширина полосы пропускания и отклик

Нагрузочное сопротивление (RLOAD) и емкость перехода влияют на частотную характеристику фотодетектора. Ширину полосы пропускания (fBW) и время нарастания (tr) можно оценить по формулам:

Эквивалентная мощность шума (NEP)

Эквивалентная мощность шума (NEP) это среднеквадратическое значение генерируемого напряжения, когда отношение сигнал/шум равно единице. Данная величина характеризует способность детектора регистрировать слабые световые сигналы. Эквивалентная мощность шума возрастает при увеличении площади активной области и определяется по формуле:

Каждый электрик должен знать:  Современное устройство плавного пуска

, где S/N – отношение сигнал/шум, Δf — ширина шумовой полосы частот, Incident Energy – энергия светового потока (единицы измерения Вт/см 2 ).

Согласованное нагрузочное сопротивление

Нагрузочное сопротивление используется для преобразования генерируемого фототока в напряжение (VOUT):

В зависимости от типа фотодиода сопротивление нагрузки может повлиять на скорость отклика. Для обеспечения оптимальной ширины полосы пропускания компания Thorlabs рекомендует использовать коаксиальный кабель (50 Ом) с терминатором на 50 Ом. Это минимизирует паразитные затухающие колебания благодаря согласованной нагрузке. Если ширина полосы пропускания не важна, то выходное напряжение можно увеличить путем увеличения нагрузки (RLOAD). При несогласованной нагрузке длина коаксиального кабеля может иметь большое влияние на отклик фотодетектора, поэтому рекомендуется использовать короткий кабель.

Шунтирующее сопротивление – это сопротивление несмещенного перехода. Идеальный фотодиод будет иметь бесконечное шунтирующее сопротивление, но реальные приборы имеют сопротивление порядка 10 Ом – 1000 МОм, значение которого зависит от материала фотодиода. Например, InGaAs детекторы обладают шунтирующим сопротивлением порядка 10 МОм, тогда как сопротивление Ge детектора составляет несколько кОм. Это может существенно повлиять на уровень шума, но для большинства приложений высокое сопротивление оказывает незначительное влияние и им можно пренебречь.

Последовательное сопротивление определяется сопротивлением полупроводникового материала. Оно пренебрежимо мало, и его влиянием в большинстве случаев можно пренебречь. Последовательное сопротивление возникает благодаря контактам и проводным соединениям фотодиода. В основном оно используется для определения линейности фотодиода при нулевом смещении.

Стандартные схемы детекторов

Рис.2 Схема детекторов с обратно смещенным диодом (детекторы DET серии)

На рис.2 представлена схема, отражающая принцип работы детекторов DET серии с обратно смещенным фотодиодом. Величина генерируемого фототока зависит от светового потока и длины волны излучения. При подключении нагрузочного сопротивления данную величину можно наблюдать с помощью осциллографа. Функция RC-фильтра заключается в подавлении высокочастотного шума источника питания.

Рис.3 Схема детектора с усилителем

При использовании схемы фотоприемников с усилителем пользователь может выбирать режим работы фотодиода (фотогальванический или фотодиодный). Каждый режим обладает своими преимуществами:

— Фотогальванический режим: в фотогальваническом режиме к диоду не прикладывается напряжение, и потенциал на входе A операционного усилителя равен потенциалу в точке B. При работе в таком режиме темновой ток пренебрежимо мал.

— Фотодиодный режим: в фотодиодном режиме к p-n переходу приложено напряжение обратного смещения, что уменьшает емкость перехода и увеличивает полосу пропускания. Усиление зависит от резистора обратной связи (Rf). Ширина полосы пропускания детектора определяется по формуле:

, где GBP – это произведение коэффициента усиления на ширину полосы пропускания ОУ, CD – сумма емкости перехода и усилителя.

Спектральная плотность шума большинства детекторов, включая PbS, PbSe, HgCdTe (MCT) и InAsSb, имеет зависимость вида 1/f (шум уменьшается при увеличении частоты), что оказывает значительное влияние на постоянную времени в области низких частот.

Таким образом, частота модуляции (скорость изменения интенсивности) излучения оказывает влияние на чувствительность прибора. Оптимальные значения характеристик фотоприемника достигаются при частоте:

Срок службы батареи

При использовании фотодетектора, работающего от батареи, важно понимать, каков срок службы аккумулятора и как он влияет на работу детектора. Выходной ток детектора прямо пропорционален потоку падающего излучения. Большинство пользователей преобразуют этот ток в напряжение с помощью согласованной нагрузки. Величина сопротивления приблизительно равна коэффициенту усиления схемы. Для высокоскоростных детекторов, например, таких как DET08, необходимо использовать нагрузку с сопротивлением 50 Ом для согласованности с импедансом стандартных коаксиальных кабелей. Это позволит уменьшить обратные отражения и улучшить качество выходного сигнала.

Срок службы батареи напрямую зависит от тока в детекторе. Большинство производителей батареек выражают срок службы батарейки в мА*ч (миллиампер-час). Например, если аккумулятор рассчитан на 190 мА*ч, он будет работать в течении 190 ч при потреблении тока 1.0 мА.

Пусть источник, излучение которого падает на детектор, работает на длине волны 780 нм со средней мощностью 1мВт. Чувствительность детектора на данный длине волны 0.5 А/Вт. Фототок можно рассчитать по формуле:

Таким образом срок службы батареи равен:

или 16 дней непрерывной работы. При уменьшении средней мощности падающего излучения до 10 мкВт, срок службы той же батарейки увеличится до 4 лет непрерывной работы. При использовании рекомендуемой согласованной нагрузки в 50 Ом, фототок (0.5 мА) преобразуется в напряжение:Если величина мощности падающего излучения уменьшится до 40 мкВт, то выходное напряжение станет равно 1 мВт. Для некоторых измерительных устройств, данное значение может оказаться слишком маленьким, поэтому необходимо искать компромисс между сроком службы батареи и точностью проводимых измерений.

При использовании детекторов на батарейках необходимо использовать излучение малой интенсивности, учитывая минимально необходимый уровень напряжения. Также важно помнить, что батарейка перестанет производить ток не сразу, как только приблизится к концу срока своей службы. Сначала напряжение батарейки упадет, и электрический потенциал, прикладываемый к фотодиоду уменьшится. А это в свою очередь приведет к увеличению времени отклика детектора и уменьшению ширины полосы пропускания.

Таким образом, важно убедиться, что батарейка обеспечивает достаточное напряжение для оптимальной работы детектора.

Для задач, в которых детекторы DET серии, облучаются непрерывно источником достаточно высокой мощности, или постоянная замена батарей является неприемлемой, компания Thorlabs предлагает адаптер DET1B и источник питания. Недостатком этого варианта является шум, который добавится к выходному сигналу и может увеличить погрешность измерений.

Детекторы на основе сульфида свинца (PbS) и селенида свинца (PbSe) широко используются для регистрации излучения в диапазоне от 1000 до 4800 нм. Тогда как фотодиод генерируют ток под воздействием света, у фоторезистора при облучении изменяется величина сопротивления. Хотя PbS и PbSe детекторы можно использовать при комнатной температуре, температурные флуктуации будут оказывать воздействие на темновое сопротивление, чувствительность и быстродействие прибора.

При поглощении света в фотопроводящем материале возникают избыточные носители заряда, приводящие к увеличению проводимости и уменьшению сопротивления. Изменение сопротивления приведет изменению величина измеряемого напряжения. На рис. представлена схема, отражающая принцип работы детекторов на основе фотопроводящих материалов. Следует отметить, что представленная схема не рекомендуется для применения на практике из-за присутствия низкочастотных шумов.

Механизм детектирования основан на проводимости тонкой пленки светочувствительного элемента. Сигнал на выходе детектора при отсутствии падающего излучения определяется уравнением:

Изменение напряжения на выходе ΔVOUT происходит из-за изменения сопротивления ΔRDark, когда свет попадает на активную область датчика:

Для детекторов зависимость чувствительности от частоты модуляции света имеет вид:

, где fc частота модуляции, R0 – чувствительность при частоте 0 Гц, τr – время нарастания.

Воздействие температуры

Светочувствительный элемент PbS и PbSe детекторов представляет собой тонкую пленку на стеклянной подложке. Форма и активная область фотопроводящего элемента меняются в зависимости от условий эксплуатации, таким образом изменяя и другие характеристики. В частности, чувствительность детектора будет изменяться в зависимости от рабочей температуры.

Охлаждение детектора сместит спектральный диапазон чувствительности в область более длинных волн. Для получения оптимальных результатов рекомендуется использовать представленные детекторы в условиях контроля параметров окружающей среды.

Схема детектора на основе фотопроводящего материала с усилителем

Из-за шумовых характеристик предпочтительнее включение фоторезистора в цепь переменного тока. При включении фоторезистора в цепь постоянного тока шум, обусловленный приложенным напряжением, будет увеличиваться с ростом напряжения, таким образом, ограничивая чувствительность детектора. Для поддержания стабильности характеристик и получения высоких значений коэффициента усиления сигнала необходимо использовать предусилитель.

Согласно схеме (рис. выше), операционный усилитель (ОУ) стремится сравнять потенциалы в точках A и B с помощью контура обратной связи. Разница напряжений на входе ОУ усиливается и передается на выход. Следует отметить, что высокочастотный фильтр на входе усилителя не пропускает сигнал постоянного тока. Кроме того, нагрузочное сопротивление должно быть равно темновому сопротивлению детектора, чтобы обеспечить получение максимального сигнала. Величина напряжения источника питания (+V) должна быть такой, чтобы величина отношения сигнал/шум была оптимальной и приближалась к единице. Некоторые задачи требуют более высокого уровня напряжения, что приведет к увеличению уровня шума. Напряжение на выходе определяется по формуле:

Поскольку уровень шума детектора обратно пропорционален частоте модуляции сигнала, шум будет возрастать на малых частотах. Сигнал на выходе детектора линейно увеличивается при увеличении напряжения смещения, однако шумовые характеристики мало зависят от напряжения смещения при его низком уровне. При достижении определенного уровня напряжения смещения, шум детектора начнет линейно увеличиваться с ростом напряжения. При высоких значениях напряжения шум начнет расти экспоненциально, уменьшая отношение сигнал шум. Для обеспечения оптимального уровня сигнал/шум необходимо регулировать частоту модуляции сигнала и напряжение смещения.

Темновое сопротивление – это сопротивление детектора при отсутствии освещения. Следует отметить, что темновое сопротивление будет увеличиваться или уменьшается при изменении температуры. Охлаждение детектора будет снижать величину темнового сопротивления.

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

Обнаружительная способность (D) — это еще одна величина, используемая для оценки эффективности фотоприемника. Обнаружительная способность характеризует чувствительность и обратно пропорциональна эквивалентной мощности шума (NEP):

Чем выше значение обнаружительной способности, тем выше чувствительность, то есть детектор способен регистрировать слабые сигналы. Обнаружительная способность зависит от длины волны падающих фотонов.

NEP детектора, а следовательно и его обнаружительная способность зависят от активной области, поэтому сравнение свойств двух детекторов является непростой задачей. Чтобы избавится от этой зависимости, используют удельную обнаружительную способность (D*), которая не зависит от площади детектора и используется для оценки эффективности фотоприемника. В уравнении ниже, А – площадь фоточувствительной области.

Двумерные позиционно-чувствительные датчики

Двумерные позиционно-чувствительные датчики позволяют измерить положение, расстояние перемещения или углы падения пучка, а также они могут использоваться в качестве обратной связи в системах юстирования, например, для контроля положения зеркал, фокусировки микроскопа, и т.д. Детектор определяет положение светового пятна на основе пропорционального распределения фототока, который генерируется в месте падения светового луча. Существует два типа двумерных позиционно-чувствительных датчиков: с двухсторонним расположением электродов и с четырехсторонним расположением электродов.

Датчики с двухсторонним расположением электродов обладают резистивными слоями, нанесенными с обеих сторон подложки. Датчик имеет четыре вывода. Фототок распределяется на две входных и две выходных компоненты. Распределение выходных токов определяет положение координаты Y, а распределение входных –координаты X положения пучка.

Датчики с четырехсторонним расположением электродов обладают одним чувствительным резистивным слоем, расположенным с одной стороны подложки. Такие датчики значительно дешевле датчиков с двухсторонним расположением электродов. Однако линейность отклика этих датчиков падает по мере удаления пучка от центра. Это связано с расположением анодов по периметру сенсора, особенно нелинейность заметна в углах датчика, где аноды приближаются друг к другу. Компания Thorlabs использует один из вариантов датчиков с четырехсторонним расположением электродов – датчик в форме «подушечки». Модель такого датчика представлена на рисунке сверху. Аноды перемещаются в углы датчика, фигурная форма электродов обеспечивает компенсацию искажений сигнала вблизи периметра. Такая модель обладает линейностью на уровне датчиков с двухсторонним расположением электродов, но значительно меньшей стоимостью.

Принцип вычисления положения луча

PDP90A детектор от компании Thorlabs оснащен схемой для вычисления Δx, Δy и суммы сигналов по формулам:

Согласно этим формулам расстояние в единицах измерения длины можно вычислить с помощью уравнений:

где x и y – это расстояния от центра до края сенсора, Lx и Ly – характерные размеры резистивного слоя. Для PDP90A детектора Lx = Ly = 10 мм. Следует отметить, что размеры резистивного слоя не соответствуют размерам активной области датчика. Активная область обозначена на рисунке серым цветом.

Погрешность определения положения

В отличие от квадрантных датчиков, где требуется перекрытие всех четырех активных областей, представленные датчики позволяют получить информацию о нахождении пучка в любой точке детектора не зависимо от формы, размера и распределения мощности в пучке. Датчик определяет положение центра пятна света до тех пор, пока пятно находится на светочувствительной области. Если часть светового пятна покидает светочувствительную поверхность, это приведет к сдвигу центра, и измерения станут ненадежными.

К ошибкам в измерении положения пучка также может привести уровень внешней освещенности. Для уменьшения погрешностей измерения лучше проводить в темноте. Использование фокусирующей оптики и диафрагм, также позволит снизить ошибки, связанные с внешней освещенностью.

Разрешение позиционно-чувствительного детектора – это минимальное детектируемое смещение светового пятна на поверхности сенсора датчика. Разрешение (ΔR) зависит как от размеров резистивного слоя (Lx или Ly), так и от отношения сигнал/шум (S/N). Отношение сигнал/шум этой системы можно определить как отношение суммы выходных сигналов (Vo) к напряжению шума (en). Шум на выходе детектора PDP90A составляет , где

Lx – характерный размер резистивного слоя,

en – шумовое напряжение на выходе детектора,

Vo – сумма выходных напряжений.

Для детектора PDP90A:

Для получения оптимальных результатов значение Vo необходимо увеличить до 4 В, что обеспечит разрешение детектора на уровне 0.750 мкм. Для этого необходимо следить за суммарным выходным сигналом (SUM) сенсора и одновременно регулировать интенсивность падающего излучения, пока напряжение на выходе не станет равно 4 В. Напряжение более 4 В приведет к насыщению системы и, следовательно, к ошибкам в измерениях. С помощью поставляемого программного обеспечения можно легко осуществлять контроль уровня напряжения. Если суммарное напряжение выше уровня насыщения, то ползунок, отображающий уровень суммарного напряжения, станет красным. В этом случае необходимо уменьшить интенсивность излучения до уровня, при котором цвет ползунка станет зеленым. Данное значение будет соответствовать 4 В выходного напряжения.

Позиционно-чувствительный детектор на основе квадрантных фотодиодов

Сенсор такого детектора состоит из четырех идентичных квадрантных фотодиода, которые разделены зазором

0.1 мм и вместе образуют круглую зону детектирования для определения положения падающего пучка (в формате 2D). При попадании света на сенсор фототок генерируется в каждой области (на рис. Q1, Q2, Q3 и Q4). На основе этих сигналов с помощью АЦП вычисляются разностные сигналы. Также вычисляется сумма всех четырех сигналов для нормировки. Нормированные координаты (Х, У) положения пучка определяются с помощью уравнений:

Если симметричный пучок падает в центр сенсора, то система на выходе зарегистрирует 4 одинаковых фототока, т.е. разностные сигналы будут равны 0, а нормированные координаты (X, Y) = (0, 0). Фототоки изменятся, если пучок сдвинуть относительно центра. В этом случае разностные токи не будут раны 0.

Детекторы на основе квадрантных фотодиодов очень точные и отлично подходят для систем автоюстировки. Однако необходимо следить за формой и распределением интенсивности в пучке, т.к. данный вид детекторов чувствителен к этим параметрам. Для пучков, распределение мощности в которых не является Гауссовым, центр будет определяется на основе распределения мощности (не геометрический центр пучка). Для таких пучков предпочтительнее использовать детекторы, описанные в предыдущем пункте.

Лавинные фотодиоды в режиме Гейгера обладают способностью детектировать одиночные фотоны. Чувствительность на уровне одиночных фотонов может быть достигнута за счет увеличения напряжения смещения выше напряжения пробоя (т. А на рис.4). Лавинный фотодиод будет оставаться в метастабильном состоянии, пока не поглотиться фотон, который приведет к генерации лавины (т. B). Эта лавина гасится с помощью активной схемы гашения в фотодиоде (т. C), которая понижает напряжение смещения до значений ниже напряжения пробоя (VBR).

Рис.4: Вольтамперная характеристика лавинного фотодиода в режиме Гейгера

После этого высокое значение напряжения смещения может быть восстановлено. В течении описанного процесса, которое известно как мертвое время диода, лавинный фотодиод нечувствителен к любым падающим фотонам. Когда диод находится в метастабильном состоянии, возможно спонтанное формирование лавин. Если спонтанное формирование лавин происходит хаотично, то зарегистрированный сигнал называется темновым отсчетом. Если спонтанное формирование лавин по времени коррелирует с импульсами от падающих фотонов, то такой сигнал называется послеимпульсом. Чтобы избежать регистрации послеимпульсов при проведении измерений, можно ввести дополнительное мертвое время программными средствами (с помощью ПО), что приведет к игнорированию счетчиком всех импульсов, возникших в течении этого времени.

Основные характеристики и понятия

В этом режиме диод работает при напряжении смещения выше напряжения пробоя. Следовательно, одна электрон-дырочная пара (сгенерированная в результате поглощения фотона или тепловых флуктуаций) может вызвать лавинный процесс.

Скорость темнового счета

Это средний показатель зарегистрированных отсчетов при отсутствии падающего излучения, который определяет минимальную скорость счета, при которой зарегистрированный сигнал в основном вызван реальными фотонами. Регистрация ложных фотонов в основном связана с тепловыми флуктуациями и таким образом, ее можно избежать с помощью использования охлаждаемых детекторов

Активное гашение происходит, когда дискриминатор регистрирует возникновение лавинного тока и резко уменьшает напряжение смещения до значений ниже напряжения пробоя. При подготовке к регистрации следующего фотона напряжение смещения снова увеличивается до значений выше напряжения пробоя.

Мертвое время – это временной интервал, который необходим детектору для восстановления состояния, при котором он может регистрировать события без искажений. В течении этого времени он не видит падающих фотонов. Часть мертвого времени, связанная с активной схемой гашения, может быть определена как отношение пропущенных фотонов к падающим.

Во время лавинного процесса некоторые заряды могут быть захвачены ловушками. При освобождении эти заряды могут привести к формированию лавины. Такие «ложные события» называют послеимпульсами (Afterpulses). Время жизни таких захваченных зарядов составляет порядка нескольких десятых микросекунды. Следовательно, возникновение послеимпульсов более вероятно непосредственно после импульса от реального фотона.

Основные модели фотодетекторов от компании Thorlabs

В таблице представлены модели фотодетекторов от компании Thorlabs. Модели, расположенные в одной и той же строке, оснащены одинаковыми светочувствительными элементами.

Диапазон рабочих длин волн

a Калиброванный фотодиод

c Корпус TO-46 + разъем FC/PC

С момента появления первых коммерческих ФЭУ в 1940 году, этот вид детекторов остается одним из самых популярных при проведении экспериментов, в которых требуется малое время отклика и высокая чувствительность. Сегодня ФЭУ незаменимы при проведении исследований в области аналитической химии, физики элементарных частиц, астрономии, атомной и молекулярной физики, а также в медицине и контроле производственных процессов.

Фотоэлектронные умножители (ФЭУ) – это чувствительные детекторы с высоким коэффициентом усиления, выходной ток которых пропорционален падающему излучению. ФЭУ состоит из стеклянной вакуумной трубки, в которой расположены фотокатод (фотоэмиссионный материал), 8-14 динодов (вторичная эмиссия) и анод (коллектор вторичных электронов). Если фотон с достаточно высокой энергией (т.е. с энергией больше энергии связи электронов материала фотокатода) падает на фотокатод, то он поглощается и испускается электрон (фотоэффект). Поскольку на первом диноде потенциал выше, чем потенциал на катоде (между этими элементами создается разность потенциалов), то выпущенный электрон ускоряется в электрическом поле и направляется на систему динодов, где за счет вторичной (ударной) электронной эмиссии образуют нарастающую от динода к диноду электронную лавину, поступающую на анод. Как правило, каждый динод обладает потенциалом, который на 100 – 200 В выше, чем потенциал предыдущего динода. Ток анода преобразуют в напряжение, для этого нагрузку с малым сопротивлением включают в цепь между анодом и землей. ФЭУ PMM01 и PMM02 от компании Thorlabs используют трансимпедансный усилитель (TIA) для преобразования тока анода (нА или мкА) в напряжение (мВ или В). Модули PMTSS, PMTSS2, и PMTSS2-SCM не содержат трансимпедансного усилителя.

Например, если ФЭУ состоит из 8 динодов, как показано на рис. ниже и каждый электрон приводит к появлению 4 вторичных электронов, то усиление тока после системы динодов будет составлять 4 8 ≈ 66,000. В приведенном примере, каждый фотоэлектрон приводит к появлению лавины с зарядом Q = 4 8 e, которая приходит на анод. Импульс напряжения при этом равен V = Q/C = 4 8 e /C, где C – емкость анода. Если емкость равна 5 пФ, то напряжение импульса на выходе будет равно 2.1 мВ.

При выборе ФЭУ необходимо обратить внимание на материал фотокатода, т.к. он определяет длинноволновую границу спектральной чувствительности. Коротковолновая граница определяется материалом окна. Сегодня изготавливают различные виды ФЭУ для работы в диапазоне от УФ до ИК, при этом используют различные материалы фотокатода, каждый из который предназначен для работы в определенном спектральном диапазоне.

Квантовая эффективность (QE) – это величина, выражаемая в %, которая характеризует способность ФЭУ преобразовывать падающие фотоны в электроны. Например, QE равно 20%. Это означает, что один из 5 фотонов, падающих на фотокатод, приведет к появлению фотоэлектронов. Для задач счета фотонов, желательно иметь ФЭУ с высоким показателем квантовой эффективности. Поскольку QE зависит от длины волны, необходимо подобрать ФЭУ, с максимальной квантовой эффективностью в интересующем спектральном диапазоне. Следует отметить, что фотокатоды для видимой области спектра, как правило, обладают QE -1/2 .

При работе с ФЭУ следует тщательно выбирать электронику, которая будет использоваться. Даже небольшие флуктуации высокого напряжения, прилагаемого между катодом и анодом могут сильно повлиять на выходной сигнал. Кроме того, условия окружающей среды также могут влиять на работу ФЭУ. Изменения температуры и влажности, а также вибрации негативно влияют на производительность ФЭУ. Корпус ФЭУ также имеет большое значение, он не только защищает трубку от постороннего света, но и снижает влияние внешних магнитных полей. Поле с магнитной индукцией в несколько гауссов, может уменьшить коэффициент усиления. Этого можно избежать путем использования магнитного экрана из материала с высокой магнитной проницаемостью.

Фотодиод. Фотодиоды: устройство, характеристики и принципы работы

1. Энергетические характеристики фотодиода связывают фототок со световым потоком, падающим на фотодиод. Зависимость фототока от светового потока при работе фотодиода в генераторном режиме — является строго линейной только при короткозамкнутом фотодиоде . С ростом нагрузочного сопротивления характеристики все больше искривляются и при больших имеют ярко выраженную область насыщения (рис. 3.12, а). При работе фотодиода в схеме с внешним источником напряжения энергетические характеристики значительно ближе к линейным. При увеличении приложенного напряжения фототок несколько возрастает (рис. 3.12, б). Это объясняется расширением области -перехода и уменьшением ширины базы, в результате чего меньшая часть носителей заряда рекомбинирует в базе при движении к -переходу.

2. Абсолютные и относительные спектральные характеристики фотодиода аналогичны соответствующим характеристикам фоторезистора и зависят от материала фотодиода и введенных примесей (рис. 3.12, в).

Спектральные характеристики практически захватывают всю видимую (300-750 нм) и инфракрасную области спектра.

4. Частотная характеристика показывает изменение интегральной чувствительности при изменении яркости светового потока с разной частотой излучения (рис. 3.12, г). Иногда инерционные свойства фотодиода характеризуют граничной частотой, на которой интегральная чувствительность уменьшается в раз по сравнению со своим статическим значением.

Рис. 3.12. Энергетические характеристики фотодиода в режиме (а) и при работе с внешним источником (б); относительные спектральные и частотные характеристики

Граничная частота быстродействующих кремниевых фотодиодов — порядка Гц.

Для повышения быстродействия и увеличения чувствительности в последние годы разработан ряд фотодиодов; со встроенным электрическим полем; на основе с барьерами Шотки; лавинные фотодиоды и т. д.

В фотодиодах с встроенным электрическим полем базу получают с помощью процесса диффузии. Из-за неравномерного распределения концентрации примесей в ней возникает внутреннее электрическое поле, которое ускоряет движение неосновных носителей заряда к -переходу.

Вследствие наложения диффузионного и дрейфового движений фотодиода несколько возрастает.

Фотодиоды, выполненные на основе , имеют значительно большую толщину области, обедненной основными носителями заряда, так как между р- и -областями имеется -область с собственной электропроводностью. К переходу без риска пробить его можно приложить значительные напряжения. В результате возникает ситуация, когда световое излучение поглощается непосредственно в области, обедненной основными носителями заряда, в которой создано электрическое поле высокой напряженности. Электроны и дырки, возникающие в области перехода при световом облучении, мгновенно перекидываются в соответствующие области. В результате быстродействие резко возрастает и f достигает значений Гц.

Аналогичными по быстродействию являются фотодиоды на основе барьера Шотки. Они выполняются из кремния, на поверхность которого нанесено прозрачное металлическое покрытие из пленок золота мкм) и сернистого цинка 01 к 0,05 мкм), создающее барьер Шотки. Благодаря минимальному сопротивлению базы и отсутствию процессов накопления и рассасывания избыточных зарядов быстродействие получается достаточно высоким Гц).

В лавинных фотодиодах используется лавинный пробой -перехода или барьера Шотки. От обычных фотодиодов они отличаются тем, что возникшие в результате светового облучения носители заряда лавинно размножаются в области -перехода вследствие ударной ионизации. Выбором внешнего напряжения и параметров цепи обеспечивается возникновение лавинного пробоя только при световом облучении. Этот процесс приводит к тому, что ток в цепи увеличивается по сравнению с током , обусловленным световой генерацией и тепловым током перехода, в раз (М-коэффициент лавинного умножения носителей.

Коэффициент лавинного умножения описывается зависимостью

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

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.

Другие материалы по теме

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

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.

Обозначение на схемах

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).

Режимы работы фотодиода

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.

Вольтамперная характеристика

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.

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Устройство и принцип действия

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

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

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

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

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

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

Режимы работы

Фотодиоды способны функционировать в следующих режимах:

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

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

КПД солнечных батарей на основе кремния составляет 20%, у пленочных элементов этот параметр значительно больше. Важным свойством солнечных батарей является зависимость мощности выхода к весу и площади чувствительного слоя. Эти свойства достигают величин 200 Вт / кг и 1 кВт / м 2 .

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

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

Виды фотодиодов

Существует несколько различных видов фотодиодов, которые имеют свои достоинства.

p i n фотодиод

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

Этот вспомогательный слой значительно снижает емкость запирающего слоя, и не зависит от напряжения. Это расширяет полосу рабочих частот диодов. В результате скорость резко повышается, и частота достигает 10 10 герц. Повышенное сопротивление этого слоя значительно уменьшает ток работы при отсутствии освещения. Чтобы световой поток смог проникнуть через р-слой, он не должен быть толстым.

Лавинные фотодиоды

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

1 — омические контакты 2 — антиотражающее покрытие

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

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

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

Принцип действия

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

Характеристики

Свойства таких световых диодов можно описать некоторыми зависимостями.

Вольт-амперная

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

I — ток M — коэффициент умножения U — напряжение

Световая

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

Спектральная

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

Постоянная времени

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

Темновое сопротивление

Это значение сопротивления диода в темноте.

Инерционность

Факторы, влияющие на эту характеристику:

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

Сфера применения

Фотодиоды являются основными элементами многих оптоэлектронных приборов.

Интегральные микросхемы (оптоэлектронные)

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

Фотоприемники с несколькими элементами

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

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

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

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

Добавить комментарий