Фотодиоды — описание принципа работы, схема, характеристики, способы применения

Вопросы и ответы

Принцип работы фотодиодов

В основе действия фотодиодных элементов лежит внутренний фотоэффект. Он заключается в появлении в полупроводнике под действием светового тока неравновесных электронов и дырок (то есть незаполненных валентных связей, проявляющихся как носители положительного заряда, равного заряду электрона), которые образует фотоэлектродвижущую силу.

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

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

Длина волны отсечки

Входящий фотон должен иметь достаточно энергии, чтобы поднять электрон через запрещенную зону и создать электронно-дырочную пару. Различные полупроводниковые материалы имеют разную ширину запрещенной зоны, энергетический барьер в электрон-вольтах (эВ) можно связать с длиной волны (λ) с помощью того же уравнения, что и для светодиодов.

Для конкретного типа детектора энергетический барьер W является постоянной величиной, поэтому приведенная выше формула дает максимальную длину волны, которую можно зафиксировать, т е длину волны отсечки.

Чувствительность

Чувствительность ρ представляет собой отношение между выходным током (i) детектора и входной оптической мощностью (P). При 800 нм чувствительность кремния составляет около 0,5 А/Вт, а пиковая чувствительность InGaAs составляет около 1,1 А/Вт при 1700 нм, снижаясь до 0,77 А/Вт при 1300 нм.

Схема светодиода.
Схема светодиода.

Спектральная характеристика

Спектральная характеристика показывает изменение чувствительности в зависимости от длины волны. Типичные спектральные кривые для кремниевых и InGaAs pin-диодов показаны на рис. 6.10.

Квантовая эффективность

Квантовая эффективность излучателя определяется как отношение числа испущенных электронов к числу падающих фотонов. Кремний и InGaAs имеют максимальную квантовую эффективность прибл. 80%.

Скорость ответа

Скорость отклика детектора ограничена временем транспортировки, то есть временем, которое требуется свободным зарядам, чтобы пересечь ширину внутреннего слоя. Это функция обратного смещения и физической ширины.

Для фиксированных pin-диодов оно варьируется от 1,5 до 10 нс. Емкость также влияет на отклик устройства, при этом емкость перехода образует изолирующий внутренний слой между электродами, образованными p- и n-областями. Быстродействующие фотодиоды могут иметь время отклика до 10 пикосекунд при емкости в несколько пикофарад с очень малой площадью поверхности.

Вольтамперная характеристика

Типичные вольт-амперные характеристики (IU) для фотодиода дисплея с кремниевыми выводами на рис. 6.11. Видно, что даже при отсутствии оптической мощности течет небольшой обратный ток, который называется темновым током. Это вызвано термическим образованием свободных носителей заряда, обычно удваивающихся каждые 10 ° C повышения температуры после 25 ° C.

Динамический диапазон

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

Фотодиод на схеме.

Конструкция p-i-n-фотодиодов

Конструкция стержневых фотодиодов аналогична конструкции, используемой для светодиодов и лазеров, но требования к оптическим характеристикам менее критичны. Активная площадь детекторов обычно намного больше сердцевины волокна, поэтому боковое выравнивание не представляет проблемы.

 

Для фотопроводящих материалов падающий свет вызывает увеличение количества заряженных частиц в активной области, что снижает сопротивление детектора. Изменение сопротивления приводит к изменению регистрируемого напряжения, поэтому светочувствительность обычно выражают в единицах В/Вт.

Обратите внимание, что эта схема не предназначена для практических целей, так как содержит низкочастотный шум. Механизм обнаружения основан на проводимости тонкой пленки в активной области. Выходной сигнал детектора без падающего света определяется следующим уравнением. В случае попадания света на активную область изменение выходного напряжения определяется соотношением

Для приема сигналов переменного тока фотопреобразователи должны быть подключены к цепи, где присутствует пульсирующий сигнал. То есть при использовании этих детекторов в цепях с источниками непрерывного излучения должен быть подключен оптический прерыватель.

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

Фотодиоды.
Фотодиоды.

Характеристики фотодиодов для выбора

Параметры фотодиода можно найти в их техническом паспорте онлайн. Давайте посмотрим, на какие позиции выбираются детали. Стоит сказать, что для простых целей (реле света, ИК-приемник) можно не учитывать следующие характеристики, достаточно купить рекомендуемый товар для конкретной установки.

Параметры фотодиода

Вольт-амперные качества, определяющие изменение значений светового потока по изменению напряжения при устойчивом потоке излучения и темнового тока. Ниже приведена стандартная ВАХ фотодиода.

стандартная кривая ВАХ фотодиода

Спектральные качества (чувствительность). Показанный как длина световой волны угол падения лучей изменяет свойства фототока на различных полупроводниках.

Спектральные качества

Чувствительность можно измерять по разным световым параметрам:

Чувствительность

Световые или энергетические характеристики. Пояснение на рисунке ниже:

Световые или энергетические характеристики

Временная константа. Период, в течение которого ток реагирует на увеличение/уменьшение диммирования, освещение с 63% от установленного значения.

Временная константа

Нижний предел чувствительности. Минимальная интенсивность света для реакции фотодиода.

Нижний предел чувствительности

Темное сопротивление. Характеризует состояние полупроводника в отсутствие света, это вольт-амперная характеристика в отсутствие излучения.

Темное сопротивление

Инерция:

Инерция

Приведенные выше основные характеристики используются для выбора фотодиодов по параметрам нагрузки:

подбор фотодиодов для загрузки параметров

Читайте также: Hitachi G13SS и Hitachi G13SS2 — сравнение болгарок

Схема фотодиода

9977669567f778242981a464350541d2.png

Режимы работы

Фотодиоды делятся по режиму работы.

Режим фотогенератора

Выполняется без источника питания. Фотогенераторы, входящие в состав солнечных панелей, иначе называются «солнечными батареями». Их функция заключается в преобразовании солнечной энергии в электрическую энергию.

Самые распространенные фотогенераторы на основе кремния — дешевые, распространенные, хорошо изученные. У них невысокая стоимость, но КПД достигает всего 20%. Элементы фильма более прогрессивны.

Основные параметры

Характеристики фотодиодов определяют следующие свойства:

  • Вольт-ампер. Определяет изменение величины светового тока в соответствии с изменением напряжения при стабильном потоке светового и темнового тока
  • Спектральный. Характеризует влияние длины волны света на фототок
  • Постоянная времени – это период, в течение которого ток реагирует на увеличение темноты или освещенности на 63 % от установленного значения
  • Порог чувствительности — минимальный световой поток, на который реагирует диод
  • Темновое сопротивление — показатель, характеризующий полупроводник в отсутствие света
  • Инерция

Из чего состоит фотодиод?

4638e78ff47270f2e2723a6c7f06e7e7.png

Разновидности фотодиодов

P-i-n

Для этих полупроводников характерно наличие в p-n переходной зоне участка с собственной проводимостью и значительной величиной сопротивления. Когда на эту область попадает световой ток, появляются пары дырок и электронов.

Электрическое поле в этой области постоянно, объемного заряда нет. Такой вспомогательный слой расширяет диапазон рабочих частот полупроводника. По функциональному назначению штыревые фотодиоды делятся на детекторные, смесительные, параметрические, ограничительные, умножительные, подстроечные и другие.

Лавинные

Этот вид очень чувствителен. Его функция заключается в преобразовании светового тока в электрический сигнал, усиленный эффектом лавинного умножения. Может использоваться в условиях низкой освещенности. В конструкции лавинных фотодиодов используются сверхрешетки для уменьшения помех сигнала.

С барьером Шоттки

Он состоит из металла и полупроводника, на стыке которых образуется электрическое поле. Основное отличие от обычных штыревых фотодиодов заключается в использовании первичных, а не вторичных носителей заряда.

С гетероструктурой

Он образован двумя полупроводниками с разной шириной запрещенной зоны. Слой между ними называется неоднородным. Выбрав такие полупроводники, можно создать устройство, работающее во всем спектре длин волн. Недостатком является высокая сложность производства.

Области применения фотодиодов

  • Оптоэлектронные интегральные схемы. Полупроводники обеспечивают оптическую связь, которая гарантирует эффективную гальваническую развязку силовых цепей и цепей управления при сохранении функциональной связи.
  • Многоэлементные фотоприемники — сканеры, светочувствительные устройства, матрицы фотодиодов. Оптоэлектрический элемент способен воспринимать не только яркостную характеристику объекта и ее изменение во времени, но и создавать целостный зрительный образ.

Другие области применения: волоконно-оптические линии, лазерные дальномеры, приборы позитронно-эмиссионной томографии.

Температурная устойчивость

Детекторы состоят из тонкой пленки на стеклянной подложке. Эффективная форма и эффективная площадь фотопроводящей поверхности могут существенно различаться в зависимости от условий эксплуатации. При этом изменяются и рабочие характеристики прибора, в частности изменяется чувствительность детектора в зависимости от рабочей температуры.

Температурные характеристики запрещенных зон в соединениях PbS и PbSe отрицательны; следовательно, охлаждение детектора смещает диапазон спектральной характеристики в сторону более длинных волн. Для достижения наилучших результатов рекомендуется использовать фотодиоды в стабильной среде.

Оцените статью
Блог об электричестве
Adblock
detector