Фотодиод обозначение на схеме: Фотодиод — chipenable.ru

Фотодиод - chipenable.ru

Фотодиод - это полупроводниковый диод, у которого ток зависит от освещенности. Обычно под этим током подразумевают обратный ток фотодиода, потому что его зависимость от освещенности выражена на порядки сильнее, чем прямого тока. В дальнейшем мы будем говорить именно про обратный ток.

В общем случае фотодиод представляет собой p-n переход, открытый для светового излучения. Под воздействием света в области p-n перехода генерируются носители заряда (электроны и дырки), которые проходят через него и вызывают напряжение на выводах фотодиода или протекание тока в замкнутой цепи.

Фотодиод, в зависимости от его материала, предназначен для регистрации светового потока в инфракрасном, оптическом и ультрафиолетовом диапазоне длин волн. Фотодиоды изготавливают из кремния, германия, арсенида галлия, арсенида галлия индия и других материалов.

Фотодиоды широко используются в системах управления, метрологии, робототехнике и других областях. Также они используются в составе других компонентов, например, оптопар, оптореле. Применительно к микроконтроллерам, фотодиоды находят применение в качестве различных датчиков - концевых датчиков, датчиков освещенности, расстояния, пульса и т.д.

На электрических схемах фотодиод обозначается как диод, с двумя направленными к нему стрелочками. Стрелки символизируют падающее на фотодиод излучение. Не путайте с обозначением светодиода, у которого стрелки направлены от него.

Буквенное обозначение фотодиода может быть VD или BL (фотоэлемент).

Фотодиод работает в двух режимах: фотодиодном и фотогальваническом (фотовольтаическом, генераторном).

В фотодиодном режиме используется источник питания, который смещает фотодиод в обратном направлении. В этом случае через фотодиод течет обратный ток, пропорциональный падающему на него световому потоку. В рабочем диапазоне напряжений (то есть до наступления пробоя), этот ток практически не зависит от приложенного обратного напряжения.


В фотогальваническом режиме фотодиод работает без внешнего источника питания. В этом режиме он может работать в качестве датчики или в качестве элемента питания (солнечной батареи), так как под воздействием света на выводах фотодиода появляется напряжение, зависящее от потока излучения и нагрузки.


Чтобы получше разобраться с режимами работы фотодиода, нужно рассмотреть его вольтамперную характеристику.


График состоит из 4 областей, так называемых квадрантов. Фотодиодному режиму соответствует работа в 3-м квадранте. 


При отсутствии излучения график представляет собой обратную ветвь вольтамперной характеристики обычного полупроводникового диода. Присутствует небольшой обратный ток, который называется тепловым (темновым) током обратно смещенного p-n перехода.

При наличии светового потока, сопротивление фотодиода уменьшается и обратный ток фотодиода возрастает. Чем больше света падает, тем больший обратный ток течет через фотодиод. Зависимость обратного тока фотодиода от светового потока в этом режиме линейная.

Из графика видно, что обратный ток фотодиода слабо зависит от обратного напряжения. Посмотрите на наклон графика от нулевого напряжения до напряжения пробоя, он маленький.

Фотогальваническому режиму соответствует работа фотодиода в 4-м квадранте. И здесь можно выделить два предельных случая:

- холостой ход (хх),
- короткое замыкание (кз).

Режим близкий к холостому ходу используется для получения энергии от фотодиода. То есть для применения фотодиода в качестве солнечной батареи. Конечно, от одного фотодиода будет мало проку, да и КПД у него невысокий. Но если соединить много элементов, то такой батареей можно запитать какое-нибудь мало-потребляющее устройство.

В режиме короткого замыкания, напряжение на фотодиоде близкое к нулю, а обратный ток прямо пропорционален световому потоку. Этот режим используется для построения фотодатчиков.

В чем преимущество и недостатки фотодиодного и фотогальванического режимов работы? Фотодиодный режим обеспечивает большее быстродействие фотодиода, но в этом режиме всегда есть темновой ток. В фотогальваническом режиме темнового тока нет, но быстродействие датчиков будет ниже.

Продолжение следует.

описание принципа работы, схема, характеристики, способы применения

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

Принцип работы фотодиодов

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

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

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

Схема фотодиода

Режимы работы

Фотодиоды разделяют по режиму функционирования.

Режим фотогенератора

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

Режим фотопреобразования

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

Основные параметры

Свойства фотодиодов определяют следующие характеристики:

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

Из чего состоит фотодиод?

Разновидности фотодиодов

P-i-n

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

Лавинные

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

С барьером Шоттки

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

С гетероструктурой

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

Области применения фотодиодов

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

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


Была ли статья полезна?

Да

Нет

Оцените статью

Что вам не понравилось?


Другие материалы по теме


Анатолий Мельник

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


Фотодиод — Википедия

Материал из Википедии — свободной энциклопедии

ФД-10-100 (активная площадь — 10×10 мм²).
ФД1604 (активная площадь ячейки 1,2×4 мм² — 16 шт). Обозначение на схемах. Типовая спектральная чувствительность кремниевого фотодиода.

Фотодио́д — приёмник оптического излучения[1], который преобразует попавший на его фоточувствительную область свет в электрический заряд за счёт процессов в p-n-переходе.

Фотодиод, работа которого основана на фотовольтаическом эффекте (разделение электронов и дырок в p- и n-области, за счёт чего образуется заряд и ЭДС), называется солнечным элементом. Кроме p-n фотодиодов, существуют и p-i-n фотодиоды, в которых между слоями p и n находится слой нелегированного полупроводника i. p-n- и p-i-n-фотодиоды только преобразуют свет в электрический ток, но не усиливают его, в отличие от лавинных фотодиодов и фототранзисторов.

Описание

Структурная схема фотодиода. 1 — кристалл полупроводника; 2 — контакты; 3 — выводы; Φ — поток электромагнитного излучения; Е — источник постоянного тока; RH — нагрузка.

Принцип работы:

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

Фотодиод может работать в двух режимах:

  • фотогальванический — без внешнего напряжения
  • фотодиодный — с внешним обратным напряжением

Особенности:

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

Параметры и характеристики фотодиодов

Параметры:

  • чувствительность
    отражает изменение электрического состояния на выходе фотодиода при подаче на вход единичного оптического сигнала. Количественно чувствительность измеряется отношением изменения электрической характеристики, снимаемой на выходе фотоприёмника, к световому потоку или потоку излучения, его вызвавшему.
    S i , Φ v = I Φ Φ v {\displaystyle S_{i,{\Phi _{v}}}={\frac {I_{\Phi }}{\Phi _{v}}}} ; S i , E v = I Φ E v {\displaystyle S_{i,{E_{v}}}={\frac {I_{\Phi }}{E_{v}}}}  — токовая чувствительность по световому потоку
    S u , Φ e = U Φ Φ e {\displaystyle S_{u,{\Phi _{e}}}={\frac {U_{\Phi }}{\Phi _{e}}}} ; S i , E e = U Φ E e {\displaystyle S_{i,{E_{e}}}={\frac {U_{\Phi }}{E_{e}}}}  — вольтаическая чувствительность по энергетическому потоку
  • шумы
    помимо полезного сигнала на выходе фотодиода появляется хаотический сигнал со случайной амплитудой и спектром — шум фотодиода. Он не позволяет регистрировать сколь угодно малые полезные сигналы. Шум фотодиода складывается из шумов полупроводникового материала и фотонного шума.

Характеристики:

  • вольт-амперная характеристика (ВАХ)
    зависимость выходного напряжения от входного тока. U Φ = f ( I Φ ) {\displaystyle U_{\Phi }=f(I_{\Phi })}
  • спектральные характеристики
    зависимость фототока от длины волны падающего света на фотодиод. Она определяется со стороны больших длин волн шириной запрещённой 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.
  • световые характеристики
    зависимость фототока от освещённости, соответствует прямой пропорциональности фототока от освещённости. 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.
  • 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.
  • темновое сопротивление
    сопротивление фотодиода в отсутствие освещения.
  • инерционность

Классификация

  • В p-i-n-структуре средняя i-область заключена между двумя областями противоположной проводимости. При достаточно большом напряжении оно пронизывает i-область, и свободные носители, появившееся за счет фотонов при облучении, ускоряются электрическим полем p-n-переходов. Это дает выигрыш в быстродействии и чувствительности. Повышение быстродействия в p-i-n-фотодиоде обусловлено тем, что процесс диффузии заменяется дрейфом электрических зарядов в сильном электрическом поле. Уже при Uобр ≈ 0,1 В p-i-n-фотодиод имеет преимущество в быстродействии.
Достоинства:
1) есть возможность обеспечения чувствительности в длинноволновой части спектра за счет изменения ширины i-области.
2) высокая чувствительность и быстродействие
3) малое рабочее напряжение Uраб
Недостатки:
сложность получения высокой чистоты i-области
  • Фотодиод Шоттки (фотодиод с барьером Шоттки)
    Структура металл-полупроводник. При образовании структуры часть электронов перейдет из металла в полупроводник p-типа.
  • Лавинный фотодиод
  • В структуре используется лавинный пробой. Он возникает тогда, когда энергия фотоносителей превышает энергию образования электронно-дырочных пар. Очень чувствительны. Для оценки существует коэффициент лавинного умножения:
    M = I Φ I Φ 0 {\displaystyle M={\frac {I_{\Phi }}{I_{\Phi _{0}}}}}
    M = 1 1 − ( U U p r ) m {\displaystyle M={\frac {1}{1-\left({\frac {U}{U_{pr}}}\right)^{m}}}}
    Для реализации лавинного умножения необходимо выполнить два условия:
    1) Электрическое поле области пространственного заряда должно быть достаточно большим, чтобы на длине свободного пробега электрон набрал энергию, большую, чем ширина запрещённой зоны:
    q λ = 3 I g 2 {\displaystyle q\lambda ={\frac {3I_{g}}{2}}}
    2) Ширина области пространственного заряда должна быть существенно больше, чем длина свободного пробега:
    W >> λ {\displaystyle W>>\lambda }
    Значение коэффициентов внутреннего усиления составляет M = 10—100 в зависимости от типа фотодиодов.
  • Фотодиод с гетероструктурой
    Гетеропереходом называют слой, возникающий на границе двух полупроводников с разной шириной запрещённой зоны. Один слой р+ играет роль «приёмного окна». Заряды генерируются в центральной области. За счет подбора полупроводников с различной шириной запрещённой зоны можно перекрыть весь диапазон длин волн. Недостаток — сложность изготовления.

См. также

Примечания


Фотодиод — Википедия

Материал из Википедии — свободной энциклопедии

ФД-10-100 (активная площадь — 10×10 мм²). ФД1604 (активная площадь ячейки 1,2×4 мм² — 16 шт). Обозначение на схемах. Типовая спектральная чувствительность кремниевого фотодиода.

Фотодио́д — приёмник оптического излучения[1], который преобразует попавший на его фоточувствительную область свет в электрический заряд за счёт процессов в p-n-переходе.

Фотодиод, работа которого основана на фотовольтаическом эффекте (разделение электронов и дырок в p- и n-области, за счёт чего образуется заряд и ЭДС), называется солнечным элементом. Кроме p-n фотодиодов, существуют и p-i-n фотодиоды, в которых между слоями p и n находится слой нелегированного полупроводника i. p-n- и p-i-n-фотодиоды только преобразуют свет в электрический ток, но не усиливают его, в отличие от лавинных фотодиодов и фототранзисторов.

Описание

Структурная схема фотодиода. 1 — кристалл полупроводника; 2 — контакты; 3 — выводы; Φ — поток электромагнитного излучения; Е — источник постоянного тока; RH — нагрузка.

Принцип работы:

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

Фотодиод может работать в двух режимах:

  • фотогальванический — без внешнего напряжения
  • фотодиодный — с внешним обратным напряжением

Особенности:

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

Параметры и характеристики фотодиодов

Параметры:

  • чувствительность
    отражает изменение электрического состояния на выходе фотодиода при подаче на вход единичного оптического сигнала. Количественно чувствительность измеряется отношением изменения электрической характеристики, снимаемой на выходе фотоприёмника, к световому потоку или потоку излучения, его вызвавшему.
    S i , Φ v = I Φ Φ v {\displaystyle S_{i,{\Phi _{v}}}={\frac {I_{\Phi }}{\Phi _{v}}}} ; S i , E v = I Φ E v {\displaystyle S_{i,{E_{v}}}={\frac {I_{\Phi }}{E_{v}}}}  — токовая чувствительность по световому потоку
    S u , Φ e = U Φ Φ e {\displaystyle S_{u,{\Phi _{e}}}={\frac {U_{\Phi }}{\Phi _{e}}}} ; S i , E e = U Φ E e {\displaystyle S_{i,{E_{e}}}={\frac {U_{\Phi }}{E_{e}}}}  — вольтаическая чувствительность по энергетическому потоку
  • шумы
    помимо полезного сигнала на выходе фотодиода появляется хаотический сигнал со случайной амплитудой и спектром — шум фотодиода. Он не позволяет регистрировать сколь угодно малые полезные сигналы. Шум фотодиода складывается из шумов полупроводникового материала и фотонного шума.

Характеристики:

  • вольт-амперная характеристика (ВАХ)
    зависимость выходного напряжения от входного тока. U Φ = f ( I Φ ) {\displaystyle U_{\Phi }=f(I_{\Phi })}
  • спектральные характеристики
    зависимость фототока от длины волны падающего света на фотодиод. Она определяется со стороны больших длин волн шириной запрещённой 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.
  • световые характеристики
    зависимость фототока от освещённости, соответствует прямой пропорциональности фототока от освещённости. 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.
  • 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.
  • темновое сопротивление
    сопротивление фотодиода в отсутствие освещения.
  • инерционность

Классификация

  • В p-i-n-структуре средняя i-область заключена между двумя областями противоположной проводимости. При достаточно большом напряжении оно пронизывает i-область, и свободные носители, появившееся за счет фотонов при облучении, ускоряются электрическим полем p-n-переходов. Это дает выигрыш в быстродействии и чувствительности. Повышение быстродействия в p-i-n-фотодиоде обусловлено тем, что процесс диффузии заменяется дрейфом электрических зарядов в сильном электрическом поле. Уже при Uобр ≈ 0,1 В p-i-n-фотодиод имеет преимущество в быстродействии.
Достоинства:
1) есть возможность обеспечения чувствительности в длинноволновой части спектра за счет изменения ширины i-области.
2) высокая чувствительность и быстродействие
3) малое рабочее напряжение Uраб
Недостатки:
сложность получения высокой чистоты i-области
  • Фотодиод Шоттки (фотодиод с барьером Шоттки)
    Структура металл-полупроводник. При образовании структуры часть электронов перейдет из металла в полупроводник p-типа.
  • Лавинный фотодиод
  • В структуре используется лавинный пробой. Он возникает тогда, когда энергия фотоносителей превышает энергию образования электронно-дырочных пар. Очень чувствительны. Для оценки существует коэффициент лавинного умножения:
    M = I Φ I Φ 0 {\displaystyle M={\frac {I_{\Phi }}{I_{\Phi _{0}}}}}
    M = 1 1 − ( U U p r ) m {\displaystyle M={\frac {1}{1-\left({\frac {U}{U_{pr}}}\right)^{m}}}}
    Для реализации лавинного умножения необходимо выполнить два условия:
    1) Электрическое поле области пространственного заряда должно быть достаточно большим, чтобы на длине свободного пробега электрон набрал энергию, большую, чем ширина запрещённой зоны:
    q λ = 3 I g 2 {\displaystyle q\lambda ={\frac {3I_{g}}{2}}}
    2) Ширина области пространственного заряда должна быть существенно больше, чем длина свободного пробега:
    W >> λ {\displaystyle W>>\lambda }
    Значение коэффициентов внутреннего усиления составляет M = 10—100 в зависимости от типа фотодиодов.
  • Фотодиод с гетероструктурой
    Гетеропереходом называют слой, возникающий на границе двух полупроводников с разной шириной запрещённой зоны. Один слой р+ играет роль «приёмного окна». Заряды генерируются в центральной области. За счет подбора полупроводников с различной шириной запрещённой зоны можно перекрыть весь диапазон длин волн. Недостаток — сложность изготовления.

См. также

Примечания


Фотодиод - это... Что такое Фотодиод?

Фотодиод ФД-10-100 активная площадь-10х10 мм² ФД1604 (активная площадь ячейки 1,2х4мм2 — 16шт) Обозначение на схемах

Фотодио́д — приёмник оптического излучения[1], который преобразует попавший на его фоточувствительную область свет в электрический заряд за счёт процессов в p-n-переходе.

Фотодиод, работа которого основана на фотовольтаическом эффекте (разделение электронов и дырок в p- и n- области, за счёт чего образуется заряд и ЭДС), называется солнечным элементом. Кроме p-n фотодиодов, существуют и p-i-n фотодиоды, в которых между слоями p- и n- находится слой нелегированного полупроводника i. p-n и p-i-n фотодиоды только преобразуют свет в электрический ток, но не усиливают его, в отличие от лавинных фотодиодов и фототранзисторов.

Описание

Структурная схема фотодиода. 1 — кристалл полупроводника; 2 — контакты; 3 — выводы; Φ — поток электромагнитного излучения; Е — источник постоянного тока; RH — нагрузка.

Принцип работы:

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

Фотодиод может работать в двух режимах:

  • фотогальванический — без внешнего напряжения
  • фотодиодный — с внешним обратным напряжением

Особенности:

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

Параметры и характеристики фотодиодов

Параметры:

  • чувствительность
    отражает изменение электрического состояния на выходе фотодиода при подаче на вход единичного оптического сигнала. Количественно чувствительность измеряется отношением изменения электрической характеристики, снимаемой на выходе фотоприёмника, к световому потоку или потоку излучения, его вызвавшему.
    ;  — токовая чувствительность по световому потоку
    ;  — вольтаическая чувствительность по энергетическому потоку
  • шумы
    помимо полезного сигнала на выходе фотодиода появляется хаотический сигнал со случайной амплитудой и спектром — шум фотодиода. Он не позволяет регистрировать сколь угодно малые полезные сигналы. Шум фотодиода складывается из шумов полупроводникового материала и фотонного шума.

Характеристики:

  • вольт-амперная характеристика (ВАХ)
    зависимость выходного напряжения от входного тока.
  • спектральные характеристики
    зависимость фототока от длины волны падающего света на фотодиод. Она определяется со стороны больших длин волн шириной запрещённой 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.
  • световые характеристики
    зависимость фототока от освещённости, соответствует прямой пропорциональности фототока от освещённости. 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.
  • 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.
  • темновое сопротивление
    сопротивление фотодиода в отсутствие освещения.
  • инерционность

Классификация

  • В p-i-n структуре средняя i-область заключена между двумя областями противоположной проводимости. При достаточно большом напряжении оно пронизывает i-область, и свободные носители, появившееся за счет фотонов при облучении, ускоряются электрическим полем p-n переходов. Это дает выигрыш в быстродействии и чувствительности. Повышение быстродействия в p-i-n фотодиоде обусловлено тем, что процесс диффузии заменяется дрейфом электрических зарядов в сильном электрическом поле. Уже при Uобр≈0.1В p-i-n фотодиод имеет преимущество в быстродействии.
Достоинства:
1) есть возможность обеспечения чувствительности в длинноволновой части спектра за счет изменения ширины i-области.
2) высокая чувствительность и быстродействие
3) малое рабочее напряжение Uраб
Недостатки:
сложность получения высокой чистоты i-области
  • Фотодиод Шоттки (фотодиод с барьером Шоттки)
    Структура металл-полупроводник. При образовании структуры часть электронов перейдет из металла в полупроводник p-типа.
  • Лавинный фотодиод
  • В структуре используется лавинный пробой. Он возникает тогда, когда энергия фотоносителей превышает энергию образования электронно-дырочных пар. Очень чувствительны. Для оценки существует коэффициент лавинного умножения:
    Для реализации лавинного умножения необходимо выполнить два условия:
    1) Электрическое поле области пространственного заряда должно быть достаточно большим, чтобы на длине свободного пробега электрон набрал энергию, большую, чем ширина запрещённой зоны:
    2) Ширина области пространственного заряда должна быть существенно больше, чем длина свободного пробега:
    Значение коэффициентов внутреннего усиления составляет M=10-100 в зависимости от типа фотодиодов.
  • Фотодиод с гетероструктурой
    Гетеропереходом называют слой, возникающий на границе двух полупроводников с разной шириной запрещённой зоны. Один слой р+ играет роль «приёмного окна». Заряды генерируются в центральной области. За счет подбора полупроводников с различной шириной запрещённой зоны можно перекрыть весь диапазон длин волн. Недостаток — сложность изготовления.

См. также

Примечания

Question book-4.svg В этой статье не хватает ссылок на источники информации. Информация должна быть проверяема, иначе она может быть поставлена под сомнение и удалена.
Вы можете отредактировать эту статью, добавив ссылки на авторитетные источники.
Эта отметка установлена 15 мая 2011.

Фотодиоды. Виды и устройство. Работа и характеристики

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

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 «Еф». Электрический ток, возникающий в фотодиоде, является обратным, и направлен от катода к аноду. При этом его величина зависит от величины освещенности.

Режимы работы
Фотодиоды способны функционировать в следующих режимах:
  • Режим фотогенератора. Без подключения источника электричества.
  • Режим фотопреобразователя. С подключением внешнего источника питания.

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

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

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

Напряжение и ток на нагрузке Rн определяются на графике по пересечениям характеристики фотодиода и нагрузочной линии, которая соответствует резистору Rн. 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.

pin фотодиод

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

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

 
Лавинные фотодиоды

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

1 — омические контакты 2 — антиотражающее покрытие

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

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

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

Принцип действия

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

Характеристики

Свойства таких световых диодов можно описать некоторыми зависимостями.

Вольт-амперная

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

I — ток M — коэффициент умножения U — напряжение

Световая

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

Спектральная

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

Постоянная времени

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

Темновое сопротивление

Это значение сопротивления диода в темноте.

Инерционность
Факторы, влияющие на эту характеристику:
  • Время диффузии неравновесных носителей заряда.
  • Время прохождения по р-n переходу.
  • Период перезарядки емкости барьера р-n перехода.
Сфера применения

Фотодиоды являются основными элементами многих оптоэлектронных приборов.

Интегральные микросхемы (оптоэлектронные)

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

Фотоприемники с несколькими элементами

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

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

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

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

Наиболее влияющими оказались такие факторы:
  • Суммарный ток утечек, образующийся путем сложения шумов и тока при отсутствии света.
  • Квантовая эффективность, определяющая долю падающих квантов, приводящих к возникновению тока и носителей заряда.
Похожие темы:

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.

формула 1 ф ифрис1 ф фиф

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:

форм2 фи ф

Режим работы

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

Режим фотопреобразователя

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

Режим фотогенератора

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

Темновой ток

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

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

Материал

Темновой ток

Скорость

Спектральный диапазон

Стоимость

Силикон (Si)

Низкий

Высокая

От видимого диапазона до ближней ИК

Низкая

Германий (Ge)

Высокий

Низкая

Ближняя ИК область

Низкая

Фосфид галлия (GaP)

Низкий

Высокая

От УФ до видимой области

Варьируется

Арсенид галлия (InGaAs)

Низкий

Высокая

Ближняя ИК область

Варьируется

Антимонид арсенида индия (InAsSb)

Высокий

Низкая

От ближней до средней ИК области

Высокая

Энзимы арсенида галлия (InGaAs)

Высокий

Высокая

Ближняя ИК область

Высокая

Теллурид кадмия ртути (MCT, HgCdTe)

Высокий

Низкий

От ближней до средней ИК области

Высокая

 

Емкость перехода

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

 

Ширина полосы пропускания и отклик

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

форм3 ф иф

Эквивалентная мощность шумов

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

форм 4 ф иф

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

 

Термическое сопротивление

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

ф5 ф ифи

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

 

Шунтирующее сопротивление

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

 

Последовательное сопротивление

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

 

Общие принципы работы

рис2 фиф

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

 

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

рис 3 ф иф

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

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

 

Влияние на частоту модуляции

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

Детектор будет проявлять меньшую чувствительность на более низких частотах модуляции.

Частота и обнаружение максимальны при:

форм 7 ф иф

 

PbS -  и PbSe – фотокондуктивные детекторы

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

баз конд

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

 

Принцип действия

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

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

2 форм 1 ф иф

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

2 форм 2 ф иф

 

Частотный отклик

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

2 форм 3 ф иф

Здесь fc - частота модуляции, R0 - отклик при нулевой частоте, τr - время нарастания импульса детектора.

 

Влияние на частоту модуляции

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

Детектор будет проявлять меньшую чувствительность на более низких частотах модуляции.

Частота и обнаружительная способность максимальны при:

2 форм 4 ф иф

 

Температурная устойчивость

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

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

 

Схема фотопроводника с усилителем

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

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

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

Выходное напряжение вычисляется следующим образом:

2 форм 5 ф и ф

2 модель ф и фи

Рисунок 5. Feedback resistor – резистор обратной связи

 

Отношение сигнал/шум

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

 

Эквивалентная мощность шумов

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

2 форм 6 ф иф

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

 

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

 

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

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

2 форм 7 ф и ф

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

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

2 форм 8 ф иф

 

© Thorlabs Inc.

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

 

2 форм 8 ф иф

2 форм 8 ф иф

 

Принцип работы фотодиода, характеристики и применение

Фотодиод - это диод с PN-переходом, который потребляет световую энергию для выработки электрического тока. Иногда его еще называют фотодетектором, светоприемником и фотодатчиком. Эти диоды специально разработаны для работы в режиме обратного смещения, это означает, что сторона P фотодиода связана с отрицательной клеммой батареи, а сторона n подключена к положительной клемме батареи. Этот диод очень сложно зажечь, поэтому, когда свет падает на диод, он легко преобразует свет в электрический ток.Солнечный элемент также известен как фотодиод большой площади, поскольку он преобразует солнечную энергию в электрическую. Однако солнечная батарея работает только при ярком свете.

Что такое фотодиод?

Фотодиод - это один из типов световых детекторов, используемых для преобразования света в ток или напряжение в зависимости от режима работы устройства. Он состоит из оптических фильтров, встроенных линз, а также поверхностей. Эти диоды имеют медленное время отклика при увеличении площади поверхности фотодиода.Фотодиоды похожи на обычные полупроводниковые диоды, но они могут быть видимыми, чтобы свет достигал чувствительной части устройства. Некоторые диоды, предназначенные для использования именно в качестве фотодиода, также будут использовать контактный переход в некоторой степени, чем обычный PN переход.


Photodiode Symbol Photodiode Symbol Символ фотодиода

Некоторые фотодиоды выглядят как светоизлучающие диоды. У них есть два терминала, идущие с конца. Меньший конец диода является выводом катода, а более длинный конец диода - выводом анода.См. Следующую схему для анодной и катодной сторон. В условиях прямого смещения обычный ток будет течь от анода к катоду, следуя стрелке в символе диода. Фототок течет в обратном направлении.

Photodiode Photodiode Фотодиоды

Типы фотодиодов

Хотя на рынке доступно множество типов фотодиодов, все они работают на одних и тех же основных принципах, хотя некоторые из них улучшены другими эффектами. Фотодиоды разных типов работают по-разному, но основная работа этих диодов остается неизменной.Типы фотодиодов можно классифицировать по конструкции и функциям следующим образом.

Эти диоды широко используются в приложениях, где требуется обнаружение наличия света, цвета, положения, интенсивности. К основным характеристикам этих диодов можно отнести следующее.

  • Линейность диода хорошая по отношению к падающему свету.
  • Шум низкий.
  • Отклик широкий спектральный
  • Механически прочный
  • Легкий и компактный
  • Длительный срок службы

Необходимые материалы для изготовления фотодиода и диапазон длин волн электромагнитного спектра включают следующие

PCBWay PCBWay
  • Для кремния материала, диапазон длин волн электромагнитного спектра будет (190-1100) нм
  • Для германиевого материала диапазон длин волн электромагнитного спектра будет (400-1700) нм
  • Для материала арсенида галлия индия диапазон длин волн электромагнитного спектра будет ( 800-2600) нм
  • Для материала сульфида свинца (II) диапазон длин волн электромагнитного спектра будет <1000-3500) нм
  • Для материала теллурида кадмия ртути диапазон длин волн электромагнитного спектра будет (400-14000) нм

Из-за большей ширины запрещенной зоны фотодиоды на основе Si производят меньший шум, чем фотодиоды на основе Ge.

Работа фотодиода

Принцип работы фотодиода заключается в том, что когда фотон большой энергии попадает в диод, он образует пару электронов и дырок. Этот механизм также называют внутренним фотоэффектом. Если поглощение возникает в переходе обедненной области, то носители удаляются из перехода внутренним электрическим полем обедненной области. Следовательно, дырки в этой области движутся к аноду, а электроны движутся к катоду, и будет генерироваться фототок.Полный ток через диод - это сумма отсутствия света и фототока. Таким образом, отсутствующий ток должен быть уменьшен, чтобы максимизировать чувствительность устройства.

PN Junction Diode PN Junction Diode PN Junction Diode
Режимы работы

Рабочие режимы фотодиода включают три режима, а именно: фотоэлектрический режим, фотопроводящий режим и режим лавинного диода.

Фотоэлектрический режим: Этот режим также известен как режим нулевого смещения. напряжение, создаваемое освещенным фотодиодом.Это дает очень маленький динамический диапазон и нелинейную необходимость сформированного напряжения.

Режим фотопроводимости: Фотодиод, используемый в этом режиме фотопроводимости, обычно имеет обратное смещение. Приложение обратного напряжения увеличит ширину обедненного слоя, что, в свою очередь, уменьшит время отклика и емкость перехода. Этот режим слишком быстрый и отображает электронный шум.

Режим лавинного диода: Лавинные диоды работают в условиях высокого обратного смещения, что позволяет умножать лавинный пробой на каждую пару электрон-дырка, созданную фото.Это приводит к внутреннему усилению фотодиода, который медленно увеличивает отклик устройства.

Применение фотодиода

  • Применение фотодиодов связано с аналогичными применениями фотодетекторов, таких как устройства с зарядовой связью, фотопроводники и фотоэлектронные умножители.
  • Эти диоды используются в устройствах бытовой электроники, таких как детекторы дыма, проигрыватели компакт-дисков, телевизоры и пульты дистанционного управления в видеомагнитофонах.
  • В других потребительских устройствах, таких как радиочасы, фотометры и уличные фонари, чаще используются фотопроводники, а не фотодиоды.
  • Фотодиоды часто используются для точного измерения интенсивности света в науке и промышленности. Как правило, они имеют более линейный отклик, чем фотопроводники.
  • Фотодиоды также широко используются во многих медицинских приложениях, таких как инструменты для анализа образцов, детекторы для компьютерной томографии, а также используются в мониторах газов крови.
  • Эти диоды намного быстрее и сложнее, чем обычные диоды с PN переходом, и поэтому часто используются для регулирования освещения и в оптической связи.
V-I характеристики фотодиода

Фотодиод постоянно работает в режиме обратного смещения. Характеристики фотодиода четко показаны на следующем рисунке, фототок почти не зависит от приложенного напряжения обратного смещения. При нулевой яркости фототок почти равен нулю, за исключением небольшого темнового тока. Он порядка наноампер. С увеличением оптической мощности фототок также увеличивается линейно. Максимальный фототок является неполным из-за рассеиваемой мощности фотодиода.

V-I Characteristics V-I Characteristics Характеристики V-I

Итак, речь идет о принципе работы, характеристиках и областях применения фотодиода. Мы надеемся, что вы лучше понимаете эту концепцию. Кроме того, любые вопросы относительно этой концепции или реализации электрических и электронных проектов для студентов инженерных специальностей. Пожалуйста, дайте свои ценные предложения, комментируя в разделе комментариев ниже. Вот вам вопрос, какова функция фотодиода ?

Фото:

.

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

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

На рисунке ниже показано символическое изображение фотодиода:

symbol of photodiode

Принцип фотодиода

Работает по принципу Фотоэлектрический эффект .

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

Конструкция фотодиода

На рисунке ниже показаны детали конструкции фотодиода:

contructional detail of photodiode

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

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

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

Режимы работы фотодиода

Фотодиод в основном работает в двух режимах:

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

Давайте теперь разберемся с подробным устройством схемы и работой фотодиода.

Работа фотодиода

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

strucure of photodiode

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

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

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

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

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

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

Это движение вызывает сильный обратный ток через устройство.

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

Этот ток затем используется для управления другими цепями системы.

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

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

Характеристики фотодиода

На рисунке ниже показана характеристика VI фотодиода: characteristics of photodiode

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

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

Как видно из рисунка выше, все кривые показывают почти равные промежутки между ними. Это так, потому что ток пропорционально увеличивается со световым потоком.

На рисунке ниже показана кривая тока в зависимости от освещенности:

illumination vs current curve

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

Преимущества фотодиода

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

Недостатки фотодиода

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

Применение фотодиода

  1. Фотодиоды широко используются в счетчиках и схемах переключения.
  2. Фотодиоды широко используются в системах оптической связи.
  3. В логических схемах и энкодерах также используется фотодиод.
  4. Широко применяется в системах охранной сигнализации. В таких системах сигнализации до тех пор, пока не будет прекращено воздействие радиации, течет ток. Поскольку световая энергия не попадает на устройство, он подает сигнал тревоги.

В случае типичного фотодиода нормальный обратный ток находится в диапазоне десятков микроампер.

,Фотодиод

- символ, работа и типы

Введение

А Фотодиод - это p-n-переход или штыревой полупроводниковый прибор, который потребляет световую энергию для выработки электрического тока. Это также иногда называют фотодетектором, фотодатчиком или светом детектор.

Фотодиоды являются специально предназначен для работы в условиях обратного смещения.Обратное смещение означает, что сторона p фотодиода подключена к отрицательная клемма аккумулятора и n-сторона подключена к положительный полюс аккумуляторной батареи.

Фотодиод очень чувствителен к свету, поэтому, когда свет или фотоны падают на Фотодиод легко преобразует свет в электрический ток. Солнечный элемент также известен как фотодиод большой площади, потому что он преобразует солнечную или световую энергию в электрическую.Однако солнечная батарея работает только при ярком свете.

строительство а работа фотодиода почти аналогична нормальному p-n переходной диод. PIN (p-типа, внутреннего и n-типа) структура в основном используется для построения фотодиода вместо структуры соединения p-n (p-тип и n-тип), потому что Структура PIN-кода обеспечивает быстрое время отклика. PIN-фотодиоды в основном используется в высокоскоростных приложениях.

В нормальный диод p-n перехода, напряжение используется как энергия источник для выработки электрического тока, тогда как в фотодиоды, как напряжение, так и свет используются в качестве источника энергии для выработки электрического тока.

Фотодиод символ

символ фотодиода аналогичен нормальному p-n переходу диод, за исключением того, что он содержит стрелки, указывающие на диод. стрелки, попадающие на диод, представляют свет или фотоны.

А фотодиод имеет два вывода: катод и анод.

Цели и ограничения фотодиода

  1. Фотодиод всегда должен работать в режиме обратного смещения.
  2. Применено напряжение обратного смещения должно быть низким.
  3. Создать низкий уровень шума
  4. Высокое усиление
  5. Высокий скорость отклика
  6. Высокий светочувствительность
  7. Низкий чувствительность к температуре
  8. Низкая стоимость
  9. Малый размер
  10. Длинный срок службы

Как фотодиод работает?

А нормальный диод p-n-перехода допускает небольшое количество электрического ток в условиях обратного смещения.Для увеличения электрического ток в условиях обратного смещения, нам нужно генерировать больше миноритарные перевозчики.

внешнее обратное напряжение, приложенное к диоду p-n перехода будет поставлять энергию неосновным носителям, но не увеличивать население миноритарных перевозчиков.

Однако небольшое количество неосновных носителей генерируется из-за внешнее обратное напряжение смещения.Неосновные перевозчики создали на n-стороне или p-стороне будет рекомбинировать в том же материале перед они пересекают перекресток. В результате отсутствует электрический ток. потоки за счет этих носителей заряда. Например, меньшинство носители, генерируемые в материале p-типа, испытывают сила отталкивания от внешнего напряжения и попытаться двигаться в сторону n. Однако перед пересечением перекрестка свободные электроны рекомбинируют с дырками внутри одного материал.В результате не протекает электрический ток.

Кому преодолеть эту проблему, нам необходимо применить внешнюю энергию непосредственно к истощению область для генерации большего количества носителей заряда.

А специальный тип диода, называемый фотодиодом, предназначен для генерируют большее количество носителей заряда в области истощения.В фотодиодах мы используем свет или фотоны в качестве внешней энергии. для генерации носителей заряда в обедненной области.

Типы фотодиодов

рабочая работа всех типов фотодиодов одинакова. Различные типы фотодиодов разрабатываются на основе конкретных применение. Например, фотодиоды с PIN-кодом разработаны для увеличить скорость отклика.Фотодиоды PIN используются там, где нужна высокая скорость отклика.

разные типов фотодиодов

  • PN переход фотодиод
  • PIN фотодиод
  • Лавина фотодиод

Среди все три фотодиода, фотодиоды с PN переходом и PIN наиболее широко используется.

PN переходной фотодиод

PN переходные фотодиоды - первая разновидность фотодиодов. Oни являются наиболее широко используемыми фотодиодами до разработка фотодиодов PIN. Фотодиод с PN переходом также просто фотодиод. В настоящее время фотодиоды с PN-переходом не получили широкого распространения.

Когда внешний световая энергия поступает на фотодиод p-n-перехода, валентный электроны в обедненной области получают энергию.

Если световая энергия, подаваемая на фотодиод, больше запрещенная зона полупроводникового материала, валентные электроны получают достаточно энергии и разорвать связь с родительским атомом. Валентность электрон, который разрывает связь с родительским атомом, станет свободный электрон. Свободные электроны свободно перемещаются из одного места в другое. другое место, проводя электрический ток.

Когда валентный электрон покидает валентную оболочку пустое пространство создается в валентной оболочке, на которой ушел валентный электрон. Это пустое пространство в валентной оболочке называется дырой. Таким образом, как свободные электроны, так и дырки образуются парами. механизм генерации электронно-дырочной пары с помощью света энергия известна как внутренний фотоэлектрический эффект.

неосновные носители в обедненной области испытывают силу из-за в область истощения электрического поле и внешнее электрическое поле. Например, бесплатно электроны в области обеднения испытывают отталкивание и сила притяжения от присутствующих отрицательных и положительных ионов на краю обедненной области на p-стороне и n-стороне.Как в результате свободные электроны движутся к n-области. Когда свободные электроны достигают n области, они притягиваются к положительные клеммы аккумулятора. Аналогичным образом отверстия движутся в противоположном направлении.

электрическое поле в области сильного обеднения и внешнее электрическое поле увеличивает скорость дрейфа свободного электроны.Из-за этой высокой скорости дрейфа меньшинство носители (свободные электроны и дырки), образующиеся при обеднении область пересечет p-n-переход, прежде чем они рекомбинируют с атомы. В результате ток неосновных носителей увеличивается.

Когда на фотодиод обратного смещения не подается свет, он несет небольшой обратный ток из-за внешнего напряжения.Этот маленький электрический ток при отсутствии света называется темным ток. Обозначается I λ .

В фотодиод, обратный ток не зависит от обратного смещения напряжение. Обратный ток в основном зависит от света интенсивность.

В фотодиоды, большая часть электрического тока переносится носителями заряда генерируется в обедненной области, поскольку носители заряда в области истощения имеет высокую скорость дрейфа и низкую скорость рекомбинации, тогда как носители заряда на n-стороне или p-сторона имеет низкую скорость дрейфа и высокую скорость рекомбинации. электрический ток, генерируемый в фотодиоде из-за применение света называется фототоком.

полный ток через фотодиод - это сумма темновых ток и фототок. Темновой ток необходимо уменьшить для увеличения чувствительности устройства.

электрический ток, протекающий через фотодиод, напрямую пропорциональна количеству падающих фотонов.

PIN фотодиод

PIN Фотодиоды разработаны на основе фотодиодов с PN переходом. PIN-фотодиод работает аналогично PN-переходу. фотодиод, за исключением того, что фотодиод PIN производится иначе улучшить его производительность.

PIN-фотодиод разработан для увеличения неосновной несущей ток и скорость отклика.

PIN фотодиоды вырабатывают больше электрического тока, чем PN переходные фотодиоды с таким же количеством световой энергии.

слоев ПИН-фотодиода

А Фотодиод на PN переходе состоит из двух слоев: p-типа и полупроводник n-типа, тогда как фотодиод PIN состоит из трех слои, а именно p-тип, n-тип и собственный полупроводник.

В PIN-фотодиод, дополнительный слой, называемый внутренним полупроводник помещается между p-типом и n-типом полупроводник для увеличения тока неосновных носителей.

P-типа полупроводник

Если трехвалентные примеси добавляются к собственному полупроводнику, р-тип полупроводник.

В Полупроводники p-типа, количество свободных электронов в зона проводимости меньше, чем количество отверстий в валентная полоса. Следовательно, дырки являются основными носителями заряда и свободными электроны являются неосновными носителями заряда. В р-типе В полупроводниках дырки несут большую часть электрического тока.

тип N полупроводник

Если пятивалентная примеси добавляются к собственному полупроводнику, n-тип полупроводник.

В Полупроводники n-типа, количество свободных электронов в зона проводимости больше, чем количество дырок в валентная полоса. Таким образом, свободные электроны являются основными носителями заряда и дырки являются неосновными носителями заряда. В n-типе полупроводники, свободные электроны несут большую часть электрического ток.

Внутренний полупроводник

Внутренний Полупроводники - это чистая форма полупроводников.В собственный полупроводник, количество свободных электронов в зона проводимости равна количеству дырок в валентной группа. Следовательно, собственный полупроводник не имеет заряда. носители для проведения электрического тока.

Однако при комнатной температуре небольшое количество носителей заряда генерироваться. Это небольшое количество носителей заряда будет нести электрический ток.

PIN работа фотодиода

А PIN-фотодиод состоит из p-области и n-области, разделенных внутренний слой с высоким сопротивлением. Собственный слой помещается между областью p и областью n для увеличения ширины области истощения.

Полупроводники p-типа и n-типа сильно легированы.Следовательно, p-область и n-область фотодиода PIN имеют большие количество носителей заряда для переноса электрического тока. Тем не мение, эти носители заряда не будут проводить электрический ток под условие обратного смещения.

Вкл. с другой стороны, собственный полупроводник - нелегированный полупроводниковый материал.Следовательно, собственная область не иметь носителей заряда для проведения электрического тока.

Менее обеспечить регресс условие смещения, основные носители заряда в области n и p регион удаляется от стыка. В результате ширина область истощения становится очень широкой. Поэтому большинство носители не будут проводить электрический ток при обратном смещении состояние.

Однако неосновные носители будут переносить электрический ток, потому что они испытывают силу отталкивания от внешнего электрического поля.

В PIN-фотодиод, носители заряда, генерируемые при истощении по региону проходит большая часть электрического тока. Носители заряда генерируемые в области p или n, несут лишь небольшой электрический ток.

Когда к PIN-диоду прикладывается энергия света или фотона, большая часть энергии наблюдается внутренней или обедненной областью из-за большой ширины истощения. В результате большой количество электронно-дырочных пар.

Бесплатно электроны, генерируемые в собственной области, движутся в сторону n-сторону, в то время как дыры, образованные во внутренней области, перемещаются в сторону p.Свободные электроны и дырки переместились из одного от региона к другому региону проводят электрический ток.

Когда свободные электроны и дырки достигают n области и p области, они привлечены к положительным и отрицательным клеммам батарея.

численность населения неосновных носителей в фотодиоде PIN очень велико по сравнению с к фотодиоду PN перехода.Поэтому ПИН-фотодиод несут больший ток неосновных носителей, чем у фотодиода с PN переходом.

Когда на фотодиод PIN подается напряжение прямого смещения, ведет себя как резистор.

ср знайте, что емкость прямо пропорциональна размеру электроды и обратно пропорциональны расстоянию между электроды.В фотодиоде с PIN-кодом действуют области p и n. как электроды и внутренняя область действует как диэлектрик.

расстояние разделения между p областью и n областью в PIN фотодиод очень большой из-за большой ширины обеднения. Таким образом, PIN-фотодиод имеет низкую емкость по сравнению с Фотодиод на PN переходе.

В PIN-фотодиод, большая часть электрического тока проходит через носители заряда, генерируемые в обедненной области.Заряд носители, генерируемые в области p или n, несут лишь небольшой электрический ток. Следовательно, увеличивая ширину истощения область увеличивает электрический ток неосновных носителей.

Преимущества из PIN фотодиод

  1. широкий полоса пропускания
  2. Высокий квант эффективность
  3. Высокий скорость отклика

Лавина фотодиод

операция лавинного фотодиода похож на PN переход и PIN фотодиод, за исключением того, что прикладывается высокое обратное напряжение смещения в случае лавинного фотодиода для схода лавины умножение.

Применение высокая обратное напряжение смещения на лавинный фотодиод не будет напрямую увеличивают генерацию носителей заряда. Тем не мение, он обеспечивает энергией электронно-дырочные пары, генерируемые падающий свет.

Когда на лавинный фотодиод подается световая энергия, При обеднении образуются электронно-дырочные пары. генерируемые электронно-дырочные пары испытывают силу из-за электрическое поле обедненной области и внешнее электрическое поле.

В лавинный фотодиод, очень высокое напряжение обратного смещения большое количество энергии для неосновных носителей (электронно-дырочные пар). Неосновные перевозчики, которые получают большое количество энергия ускоряется до больших скоростей.

Когда свободные электроны движущиеся на большой скорости сталкиваются с атомом, они сбивают больше свободных электронов. Вновь образованные свободные электроны снова ускоряется и сталкивается с другими атомами. Из-за это непрерывное столкновение с атомами, большое количество создаются неосновные носители. Таким образом, лавинные фотодиоды генерирует большее количество носителей заряда, чем PN и PIN фотодиоды.

Лавина фотодиоды используются в приложениях, где важно высокое усиление фактор.

Преимущества из лавинный фотодиод

  1. Высокий чувствительность
  2. Больше прирост

Недостатки из лавинный фотодиод

генерирует высокая уровень шума, чем у фотодиода PN

Фотодиод операция режимы

А Фотодиод может работать в одном из двух режимов: фотоэлектрический режим или фотопроводящий режим.

Эксплуатация Режим выбор фотодиода зависит от скорости требования приложения и количество темнового тока это терпимо.

Фотоэлектрические режим

В фотоэлектрический режим, фотодиод несмещен. В других словами, на фотодиод не подается внешнее напряжение. фотоэлектрический режим.

В фотоэлектрические режим темновой ток очень низкий. Фотодиоды работали в фотоэлектрический режим имеет низкую скорость отклика.

фотодиоды работают в фотоэлектрическом режиме, обычно используются для низкой скорости приложений или для обнаружения низкого уровня освещенности.

Фотопроводящий режим

В фотопроводимость в режиме внешнего обратного смещения фотодиод.

Применение напряжение обратного смещения увеличивает ширину обедненной области и уменьшает емкость перехода, что приводит к повышенная скорость отклика. Обратное смещение также увеличивает темное течение.

Фотодиоды при работе в фотопроводящем режиме имеет высокий ток шума. это возникает из-за обратного тока насыщения, протекающего через фотодиод.

Темный ток

Темный ток - это ток утечки, который протекает в фотодиоде в отсутствие света. Темновой ток в фотодиоде увеличивается при повышении температуры. Материал, используемый для Построенный фотодиод также влияет на темновой ток.

разные материалы, используемые для изготовления фотодиодов: кремний (Si), Германий, (Ge), фосфид галлия (GaP), индий галлий Арсенид (InGaAs), антимонид арсенида индия (InAsSb), Арсенид индия-галлия (InGaAs), ртуть Теллурид кадмия (MCT, HgCdTe).

Германий, Антимонид арсенида индия, арсенид галлия индия и Теллурид кадмия ртути генерирует большой темновой ток, потому что они очень чувствительны к температуре.

скорость отклика кремния, фосфида галлия, индия галлия Арсенид и арсенид галлия индия расширенного диапазона очень высокая.

Производительность параметры фотодиода

Ответственность

Отзывчивость является отношение генерируемого фототока к падающему свету мощность.

Квантовая эффективность

Quantum эффективность определяется как отношение количества электронно-дырочных пар (фотоэлектроны) генерируются падающими фотонами.

Время отклика или время в пути

время отклика фотодиода определяется как время, которое требуется для световых носителей заряда, чтобы пересечь p-n переход.

Фотодиод приложения

различные применения фотодиодов

  1. Компакт-диск игроков
  2. Дым детекторы
  3. Космос приложения
  4. Фотодиоды используются в медицинских приложениях, таких как вычисленные томография, инструменты для анализа проб и пульс оксиметры.
  5. Фотодиоды используются для оптической связи.
  6. Фотодиоды используются для измерения очень низкой интенсивности света.

Типы диодов

различные типы диодов следующие:

  1. Зенера диод
  2. Лавинный диод
  3. Фотодиод
  4. Свет Излучающий диод
  5. Лазер диод
  6. Туннель диод
  7. Шоттки диод
  8. Варактор диод
  9. P-N переходной диод

,

Как подключить ИК-фотодиодный датчик в цепи

В этом посте мы узнаем, как правильно подключить ИК-фотодиод в цепи, такие как цепь датчика приближения. Объяснение представлено в виде обсуждения между мной и одним из преданных читателей этого блога NVD.

Вот обсуждение, в котором объясняется, как подключить фотодиод к электронной схеме.

Проверка подключения ИК-фотодиода в цепи

Вопрос : Подскажите, пожалуйста, работает ли следующая схема или нет.Я думаю, что выход ic 5v. Я хочу, чтобы выход был подключен к реле на 12 В, а не к зуммеру. Вы можете сказать, какие изменения мне следует внести в схему ..

Анализ схемы

Ответ:

(+) - это анод, а (-) - катод фотодиода. Другими словами, контакт, связанный с более широкой пластиной внутри фотодиода, будет катодом, а контакт, связанный с более тонкой пластиной внутри фотодиода, будет анодом

  • , если он установлен правильно, он должен работать.Однако приведенная выше диаграмма содержит много ошибок и никогда не будет работать. Конфигурация ИК-фотодиода с операционным усилителем потребует некоторых изменений.
  • Для настройки реле вы можете использовать BC547 / релейный каскад на выходе операционного усилителя, холодное сопротивление базового резистора составляет 10 кОм
  • Для получения подробной информации о каскаде драйвера реле вы можете обратиться к следующей статье: /homemade-circuits.com/2012/01/how-to-make-relay-driver-stage-in.html

Вопрос:

Хорошо, есть ли положительные и отрицательные клеммы для ИК-приемника и передатчика, такие как светодиод ,Я новичок в этом, поэтому спрашиваю

Полярность для ИК-фотодиодов в передатчиках

  • , как и любой другой диод, ИК-фотодиоды также имеют полярность и должны быть подключены соответственно.

Вопрос:

В схему подключен фотодиод прямого смещения. это неправильно? Пожалуйста, проверьте, сэр.

Принципиальная схема

Полярность ИК-фото для приемника

  • Полярность ИК-фотодиода передатчика правильная ... Неправильная полярность приемника , для приемника необходимо инвертировать, как показано ниже.

Вопрос:

Сэр, сначала я забыл подключить вывод 3 микросхемы к резистору приемника, затем я дал питание 12 В, поэтому светится только светодиод. После этого я подключил контакт 3 к резистору и дал 9В. Теперь загорается светодиод, когда я поворачиваю переменный резистор в одну сторону. Светодиод не загорается, когда впереди появляется препятствие.

Может ли сгореть ИК-фотодиод?

Я подключил все правильно, но он не работает, есть ли вероятность сгорания ИС или фотодиода при подключении к источнику питания 12 В.У вас есть электрическая схема ИК-датчика приближения.

Пожалуйста, помогите мне, сэр.

Ответ

  • Фотодиод никогда не сгорит, пока он подключен последовательно с резистором.

Итак, почему фотодиод приемника не отвечает

Ответ:

На схеме выше фотодиод, подключенный к операционному усилителю, никогда не сможет запустить операционный усилитель в ответ на полученный инфракрасный сигнал. Почему?

Правильный способ подключения фотодиода к операционному усилителю

Напряжение, генерируемое фотодиодом приемника в ответ на сигналы от фотодиода передатчика, вряд ли составит милливольт , может быть всего несколько милливольт.

Хотя операционные усилители могут быть чувствительны к обнаружению даже до пары милливольт, резистор 10 кОм между контактом № 3 и землей мгновенно аннулирует крошечный сигнал милливольт, что делает невозможным его обнаружение операционным усилителем.

Следовательно, мы можем предположить, что именно резистор 10 кОм не позволяет операционному усилителю обнаруживать выходной сигнал фотодиодов.

На следующей схеме показано, как правильно подключить фотодиод к операционному усилителю, чтобы он эффективно реагировал на сигналы от любого источника ИК-фотодиодного передатчика:

На приведенной выше диаграмме мы видим, что более ранний резистор 10 кОм на неинвертирующем выводе Операционного усилителя заменен конденсатором малой емкости, и теперь это позволяет операционному усилителю реагировать на сигналы, генерируемые фотодиодами Rx, Tx.

Фактически, операционный усилитель все равно будет реагировать без конденсатора, однако никогда не рекомендуется оставлять входы операционного усилителя плавающими, пока он запитан, поэтому заземленный конденсатор гарантирует, что соответствующий вход операционного усилителя никогда не останется плавающим и подвержен риску паразитные сигналы.

Вы можете подумать, что конденсатор можно было бы заменить резистором высокого номинала, порядка многих мегомов, извините, что это тоже может не помочь, что снова запретит операционному усилителю воспринимать сигналы с фотодиода и, в конечном итоге, низкий Значение конденсатора приводит к тому, что это правильный выбор.

Подключение фотодиода для активации реле

Изображенный выше фотодиодный детектор на базе операционного усилителя может быть дополнительно модернизирован для запуска ступени реле путем интеграции ступени драйвера реле, как показано на следующей диаграмме:

Обратная связь от г-на Нормана Келли (один из заядлых читателей этого блога):

Привет, Swagatam,

Я искал схему, чтобы предупреждать меня, когда кто-то входит в мой двор и на переднюю палубу.

Доставщики оставляют вещи на передней палубе и не звонят в дверной звонок, поэтому я не знаю, что мои пакеты находятся на палубе.Также ночью я хотел бы знать, не входит ли кто-нибудь в мой двор.

Я разработал схему с PIR и беспроводным TX / RX для воспроизведения сообщения в моем доме. Все работает, но ложных срабатываний много и жену это сводит с ума.

Я предполагаю, что радиочастотные сигналы запускают PIR. Я попытался разделить их на несколько дюймов, и это помогло, но недостаточно. Итак, я решил посмотреть на ИК-порт, чтобы обнаружить человека, открывающего ворота во двор, а затем по беспроводной связи передающего этот триггер.Я хотел сделать инфракрасный луч, но для этого требуется больше компонентов, которых у меня сейчас нет.

Итак, я решил, что инфракрасный датчик приближения будет работать, если я поместил датчик у ворот и поместил на ворота отражатель, который отражал бы ИК-излучение при открытии ворот.

Я видел вашу схему выше "Как подключить ИК-фотодиодный датчик".

Хлеб просел на схему и работает нормально. Единственная проблема в том, что он использует 50 мА в режиме ожидания и 70 мА в активном состоянии.

Дистанционный монтаж с батарейным питанием, кажется, исключен, если нет способа снизить требования к питанию или мне придется подавать низкое напряжение на устройство.

Есть предложения или комментарии? Спасибо за вашу помощь!
Norman Kelley

Мой ответ:

Hi Norman,

Высокое потребление может быть просто из-за неправильных значений резистора светодиода, попробуйте использовать 1K для светодиода передатчика, а также для светодиода индикатора, общее потребление должно снизиться примерно до 6 мА

О Swagatam

Я инженер-электронщик (dipIETE), любитель, изобретатель, разработчик схем / печатных плат, производитель. Я также являюсь основателем сайта: https: // www.homemade-circuits.com/, где я люблю делиться своими новаторскими идеями и руководствами по схемам.
Если у вас есть запрос, связанный со схемой, вы можете взаимодействовать с ним через комментарии, я буду очень рад помочь!

.

0 comments on “Фотодиод обозначение на схеме: Фотодиод — chipenable.ru

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *