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

Фотодиодами называют обычные полупроводниковые диоды, но преобразовывающие свет в электричество. Это те же солнечные батареи, а также элементы, реагирующие на освещенность в разнообразных реле, датчиках, микросхемах, а особенно в оптоволоконных системах, оборудовании с привязкой к свету (УФ, ИК), его интенсивности. В этих же сферах используются светодиоды, фототранзисторы, фоторезисторы, но их и чертежи для них следует отличать. Опишем, что такое фотодиод, как функционирует, типы, его составляющие, как включается в сборках и на платах приборов, а также опишем схемы с данными радиодеталями.

Понятие фотодиода

Фотодиод, ФД — это полупроводниковая деталь, тот же диод, как и он пропускает ток в одну сторону, с p-n (p-i-n) переходом, но из материала, который меняет свои качества при влиянии оптического излучения, инициируя процессы, создающие электроток.

Если свет полностью отсутствует, не падает на такую радиодеталь, то она в спокойном состоянии, в равновесии, имеет качества аналогичные простому диоду.

Если же на чувствительный участок попадает УФ или ИК-излучение, то элемент начинает реагировать, преобразовывать этот поток в электричество.

Надо отличать разные радиодетали с приставкой «фото»:

рассматриваемый нами фотодиод. Кратко выразить суть «фото» или «опто», «гальванического» (такие названия применяют реже) диода, которая сразу же отличит его, можно одним предложением: деталь преобразует свет в ток;
фототранзисторы. «Два в одном», это объединенные одним корпусом фотоэлемент и транзистор, который открывается от количества подаваемого света. То есть, если на рассмотренных ниже нами схемах эти элементы разнесены, то в данном случае они в одной опрессовке. Вместо связки отдельных указанных деталей можно применить такую цельную запчасть, если она подходит по параметрам;
фоторезисторы. Меняют сопротивление (тут это ключевой параметр) в зависимости от уровня освещенности.

Как видим, «фото» радиодетали можно применять для очень схожих, в некоторых случаях аналогичных целей (например, датчики, реле), но схемы будут разными с учетом отличий принципа работы каждого типа.

Обозначение на схемах разных элементов надо также знать. Фотодетектор имеет две стрелки, направленные к нему, и в такой графике есть логика: изделие воспринимает излучение.

Светодиод часто сотрудничает в схемах с фотодиодом. Первый инициирует сработку второго: его ставят напротив, и когда включают, поток света падает на первый элемент, активизирует его, а тот подает сигнал исполнительному узлу. Такой принцип применен для пультов ДУ, разнообразных приемников ИК-сигналов, а также для оптических (лазерных) сигнализаций, активируемых, если злоумышленником пересекается световой поток.

Итак, фотоэлемент преобразует свет, попадающий на его чувствительный сегмент, в электрозаряд. Такой процесс происходит, из-за возникновения особых процессов при движении частичек-транспортировщиков заряда на атомном уровне при облучении p-n зоны. Данное явление обуславливается изменениями свойств применяемых материалов (полупроводников).

Если на фоторезисторах меняется именно проводимость при движении транспортировщиков заряда, то на фотодиодах появляется ток на сегментах смыкания p-n переходов — в этом их отличие.

Структура

Обычный светодиод имеет такую же структуру, как и «фото», но у последнего есть окошечко, чтобы свет попадал на воспринимающую его часть.

Фотодиод схема структуры:

Связанные устройства

Лавинные фотодиоды

фотодиоды со структурой, оптимизированной для работы с высоким обратным смещением, приближающимся к обратному напряжению пробоя. Это позволяет каждому
фото созданный
перевозчик умножить на сход лавины, что приводит к внутреннему усилению фотодиода, что увеличивает эффективную
отзывчивость
устройства.
Электронный символ для фототранзистора
А фототранзистор

представляет собой светочувствительный транзистор. Распространенный тип фототранзистора,
биполярный фототранзистор
, по сути биполярный транзистор заключен в прозрачный футляр так, чтобы свет может достичь
база-коллектор соединение
. Он был изобретен доктором. Джон Н. Шайв (более известен своим волновая машина) в Bell Labs в 1948 г.[5]:205 но об этом не было объявлено до 1950 года.[6] Электроны, которые генерируются фотонами в переходе база-коллектор, инжектируются в базу, и этот ток фотодиода усиливается коэффициентом усиления транзистора по току β (или hfe). Если используются выводы базы и коллектора, а эмиттер остается неподключенным, фототранзистор становится фотодиодом. В то время как у фототранзисторов выше отзывчивость Что касается света, они не могут обнаруживать низкие уровни света лучше, чем фотодиоды.[
нужна цитата
] Фототранзисторы также имеют значительно большее время отклика. Другой тип фототранзистора,
полевой фототранзистор
(также известный как photoFET) — это светочувствительный полевой транзистор. В отличие от фотобиполярных транзисторов, фотоэлектрические транзисторы управляют током сток-исток, создавая напряжение затвора.

А соляристор

представляет собой двухконтактный фототранзистор без затвора. Компактный класс двухполюсных фототранзисторов или соляристоров продемонстрировала в 2022 г. ICN2 исследователи. Новая концепция представляет собой источник питания «два в одном» и транзистор, работающий от солнечной энергии за счет использования мемрезистивного эффекта в потоке фотогенерированных носителей.[7]

Принципы работы фотодиодов

Постараемся максимально понятно, простыми словами, описать принцип работы, свойства фотодиода, как он функционирует, как движутся электрочастички и взаимодействуют с p-n участками:

На рисунке внизу полупроводник: слева p-вариант, справа n. На первом — количество «дырок» (они же — положительно заряженные электроны) избыточное, на втором — чрезмерное число свободных электронов.
Возникает диффузия — дырки проникают на сегмент n, электроны — на p. Оставшиеся частички проходят, образуя запирающий слой, препятствующий перемещению первых и вторых.
Если подается напряжение: слева «+», справа «−», то потечет ток, поскольку запирающая прослойка будет преодолеваться. При подаче напряжения наоборот данный слой станет большим, значение тока будет очень мало, приблизится или сравняется с нулем.
Светочувствительная локация у фотоэлемента — n. Если данный сегмент затемнен, то его поведение аналогично обычному диоду. Когда туда попадает свет или электромагнитные волны, то электроны выбиваются из внешних слоев атомов. Их число и дырок (вместе это фотоносители) увеличивается, частички диффундируют в разные стороны (к контактам детали — аноду, катоду). На p-n переходе происходит пропускание дырок, но электроны задерживаются. Появляется разность потенциалов, электрический ток.

Так выглядит диод в спокойном состоянии:

Более сложное объяснение:

Излучение направлено перпендикулярно к локации p-n. Энергия, при которой вбираются фотоны становится больше ширины запрещенной зоны, происходит образование электронно-дырочных пар — фотоносителей;
При проникновении фототранспортировщиков на n-область, большинство их (не все) не успевают распасться на составляющие и оказываются близко к границе p-n области, там разделяются электрополем;
При описанном процессе дырки оказываются на p-сегменте, электроны же не могут проникнуть через поле, обволакивающее переход, поэтом скапливаются около n- области и у края перехода.
Частички двигаются каждая к своему электроду, таким образом, возникает ток, его течение через переход полностью зависимо от движения дырок, такой его вариант (в котором участвуют фотоносители) называется током дрейфа или фототоком.

Предельно кратко выразить как фотодиодом вырабатывается ток можно так. Следствием концентрации дырок, электронов на p и n локациях соответственно является образование разности потенциалов. Это же явление — электродвижущая сила, создающая обратный ток, катод⇒анод, а во внешней цепи будет наоборот. Это и есть солнечная (гелио) электрическая панель (батарея).

Режимы фотодиодов

Применение, разновидности фотодиода имеют свои нюансы в зависимости от режима, для которого он используется.

Есть два основных режима по методу использования процесса преобразования излучения в ток:

фотогальванический (генераторный) — это те же солнечные батареи. Маленькие используются для калькуляторов, автономных светильников и подобного. Большие — для автономных систем обеспечения электричеством домов, машин и прочего. Это источники питания;
фотодиодный (преобразовательный). С внешним обратным напряжением. Для управления разными приборами. Например, для освещения с автовыключением после восхода солнца. При отсутствии излучения элемент являет собой обычный диод, пропускает ток, но днем запирает ход.

В режиме преобразователя деталь выполняет роль ключа, регулируемого светом, для чего ее подсоединяют на цепь в прямом смещении — катодом к «+», анодом к «−». В темноте там только обратный, темновой, ток (Iобрт, единицы и десятки мкА). При свете к таковому приплюсовывается фототок, зависящий только от интенсивности излучения (десятки мкА), чем сильнее излучение, тем он мощнее.

Фототок исчисляется по формуле: Iф=Sинт×Ф. Где первая составляющая — это интегральная чувствительность, вторая — световой поток.

Как отличаются два режима фотодиодов

При преобразовательном режиме происходит смещение диода в обратном направлении напряжением. Фототок, появляющийся при освещенности, — это одновременно и функция мощности светового потока. При генераторном — деталь создает фотоЭДС. Иными словами, при попадании излучения на p-n переход на выходе элемента появляется напряжение пропорциональное интенсивности потока.

Фотодиодный (преобразовательный) алгоритм работы чаще применяется для оперативного запитывания приборов. Его достоинства: быстродействие выше, большая чувствительность к оптическому излучению, динамический диапазон шире. Но есть значительный недостаток — возникает шумовой ток, текущий через нагрузку. Звуковые эффекты уменьшают охлаждением детали до −10° C, но это затратно. Иногда из-за этого при потребности отсутствии шума отдают предпочтение гальваническому (фотовольтаическому) алгоритму работы

При использовании преобразовательного алгоритма источник питания подсоединяется с обратной полярностью, тут назначение фотодетектора — выполнение роли сенсора освещенности.

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.

Характеристики фотодиодов для выбора

Параметры фотодиода можно найти в их спецификации в сети. Рассмотрим, по каким позициям подбираются детали. Следует сказать, что для несложных целей (реле освещенности, ИК-приемник) указанные ниже характеристики можно не брать во внимание, достаточно купить рекомендованное изделие для конкретной сборки.

Вольтамперные качества, определяющие изменения значений светового потока согласно меняющемуся напряжению при стабильном потоке излучения и темновом токе. Ниже стандартная диаграмма ВАХ фотодиода.

Спектральные качества (чувствительность). Отображают как протяженность волны света, угол падения лучей меняют характеристики фототока на разных полупроводниках.

Чувствительность может измеряться при разных параметрах света:

Световая или энергетическая характеристика. Объяснена на рисунке ниже:

Временная постоянная. Период, за который происходит реагирование тока на увеличение/уменьшение затемнения, освещенности на 63 % от установленной величины.

Нижний предел чувствительности. Минимум интенсивности света для возникновения реакции фотодиода.

Темновое сопротивление. Характеризует состояние полупроводника при отсутствии света, это вольт-амперная характеристика при отсутствии излучения.

Инерционность:

Указанные выше основные характеристики используют для подбора фотодиодов к параметрам нагрузки:

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.

Варианты, типы фотодетекторов

Инфракрасный фотодиод выполнен в черном корпусе, реагирует только на ИК-излучение. Темный цвет линзы — это подобие фильтрующей тонировки, чтобы не срабатывать на иные спектры.

У фотодетекторов есть диапазон частот, тут она больше на порядки, до 10 МГц (намного выше, чем у фоторезисторов), что обеспечивает отличное быстродействие. У вариантов p-i-n и с барьером Шоттки эта цифра 100 МГц–1ГГц, у лавинных — 1–10 ГГц.

Типы фотодиодов по принципу работы, по вариантам комбинации, размещения слоев, материалов рассмотрим ниже.

Фотодиод p-i-n

Элементы типа p-i-n широко распространены для волоконно-оптических систем связи — они преобразуют свет в электросигналы, преобразовывающиеся затем в информацию (видео, звуковая и прочие)

Прослойки p и n изготовляют с применением легирования: в материал полупроводника добавляют усиливающие его примеси. Если в обозначении такой детали есть +, то это свидетельствует о повышенном содержании добавок.

Средний сегмент — часть «i» — это проводник «n», но слаболегированный. Если на него подается обратное напряжение, то там образуется обедненная локация (дырок/электронов становится меньше).

Сопротивление на i-сегменте растет, намного превышает таковое на р+ и n+. Итог указанного процесса: электрополе сосредотачивается в i-области, фотон, поглощаемый там, создает пару: электрон/дырка. Мощное поле на i-участке мгновенно распределяет их на электроды: дырку поглощает катод, электрон — анод. Так создается электроток.

Эффективность p-i-n фотодиодов чрезвычайно высокая, так как их частота может достигать 1010 Гц, что гарантирует передачу за 1 секунду терабайтов данных. У таких деталей i-участок намного шире, чем p+ и n+ для того, чтобы фотоны осваивались бы больше именно на этом сегменте.

Лавинные

В волоконно-оптических технологиях кроме p-i-n типов рассматриваемых деталей используются особые виды — лавинные фотодетекторы (ЛФД), их отличие — дополнительный p-участок.

Из-за укрепляющих добавок более высокое сопротивление у p-слоя, соответственно, наибольшее понижение напряжения на нем. Фотон, оказываясь в светосенситивном i-сегменте, вырывает оттуда электрон, устремляющийся к аноду, дырка идет к катоду.

Электрон на своем маршруте оказывается на локации большого напряжения p-слоя, тут он резко ускоряется, что позволяет выбивать с оболочек атомы p-участков иные такие же частицы. Затем новообразовавшиеся свободные electron делают то же — выбивают из валентных сегментов дополнительные их аналоги. Явление растет лавинообразно.

На изображении визуализировано резкий всплеск движущей электросилы на p-слое. Ток первичный, появившийся в i-слое, растет лавиной на p-участке. Повышение достигает несколько сотен раз, но если оно слишком большое, то создает шумы, увеличивающиеся быстрее импульса. Оптимальное значение коэффициента 30–100.

С барьером Шоттки

В данном типе элементов создается несколько пленок, то есть особая структура, позволяющая избегнуть инжекции неосновных носителей. Такие детали используют движение только основных транспортировщиков. Плюс в том, что нет медленных процессов, подпадающих под влияние явлений накопления, рассасывания второстепенных носителей на базе диода. Плюсы: инерционность, сроки перезарядки ничтожные, первая обусловлена только временем прохода носителей через области пространственного заряда.

Указанные выше способности позволяют применять оптодиоды при СВЧ модуляциях излучений.

Гетероструктурные

Собираются из 2 полупроводников с разным размером запрещенного сегмента, гетерогенным именуют участок между ними. Особым подбором материалов создают устройство, охватывающее (воспринимающее) полную протяженность волн. Минус такого изделия — затратность изготовления.

Электронный учебно-методический комплекс по ТМ и О ЦВОСП

Принцип действия, основные характеристики.

Для p-i-n фотодиода характерно наличие i-слоя (слаболегированного полупроводника n-типа) между слоями р+ (база) и n+ (коллектор) (+ означает сильное легирование).

Также i-слой называют обедненным слоем. Фотоны вводятся в детектор через окно, имеющее тонкий слой просветляющего покрытия (толщина около λ /4) с показателем преломления, согласующим разные среды – стекловолокно (n=1,46) и полупроводник (n=3,5).

На такой диод подается обратное смещение (-U см), т.е. напряжение плюсом к n-переходу, минусом к p-переходу.

Сильное легирование крайних слоев делает их проводящими, и максимальное значение электрического тока создается в i-слое. Но поскольку нет свободных носителей в i-слое, нет и электрического тока, так излучения на i-слой, в нем образуется свободные электронно-дырочные пары. Эти пары под действием электрического поля быстро разделяются и двигаются в противоположных направлениях к своим электродам.

Таким образом, создается фототок (ток дрейфа).

Iф
=Ne×Q
где Q

— заряд электрона;

– число электронов

Однако не все фотоны вызывают образование пар «электрон — дырка». По этой причине вводится понятие квантовой эффективности. Квантовая эффективность q (безразмерная величина) определяется как:

где Nф

— количество фотонов, падающих за единицу времени на приемник;

— количество рожденных в результате этого свободных электронов (или электронно-дырочных пар).

Квантовая эффективность для p-i-n фотодиодов не может быть больше (100%)

Величина фототока определяется:

Iф=
Nф∙η∙е
Учитывая, что число фотонов зависит от мощности излучения

где Еф

= h∙v, а λ = C/v, то величина фототока может быть представлена:

где Ри — полная оптическая мощность излучения на длине волны λ, падающего на фоточувствительную площадку (Вт);

е — заряд электрона (1.6∙Кл);

h — постоянная Планка, эВˑс (см. выше);

С — скорость света в пустоте (воздухе), (С = 3∙ м/с);

— квантовая эффективность.

Эффективным является взаимодействие излучения только с i — слоем, так как при попадании фотонов в р+ — и n+ — слои возникает диффузионный ток, который имеет большую инерционность и ухудшает быстродействие. Поэтому при изготовлении фотодиодов стремятся делать р+ — и n+ — слои как можно тоньше, а обедненную область достаточно большой протяженности, чтобы она полностью поглощала весь падающий свет. На рисунке 1.21 показана структура, включение и распределение потенциала p-i-n фотодиода.

Существует несколько типов фотодетекторов, которые могут быть использованы в качестве приемников света в ВОСП. Однако только два из них наиболее привлекательны для широкополосных ВОСП. Это кремниевые p-i-n фотодиоды и InGaAs* p-i-n фотодиоды. Кремниевые фотодиоды могут использоваться в приложениях, работающих в диапазоне коротких длин волн (850 нм), тогда как фотодиоды типа InGaAs — в приложениях, работающих в диапазонах длинных волн 1310 и 1550 нм.

Рисунок 1.21. Структура, включение и распределение потенциала p-i-n фотодиода

Характеристики p-i-n фотодиодов

При выборе фотодетектора для ВОЛС сравнение их производится по ряду характеристик:

Квантовая эффективность фотодиода η является мерой среднего числа электронов, освобожденных каждым падающим фотоном.

При работе в идеальных условиях отражения, кристаллической структуры и внутреннего сопротивления, оптимально спроектированные высококачественные кремниевые фотодиоды способны достичь квантовой эффективности порядка 80%. Квантовая эффективность в 100% — недостижима.

Кривые квантовой эффективности в зависимости от длины волны для различных материалов приведены на рисунке1.22.

Чувствительность отклика наиболее важный параметр при работе с фотодиодными детекторами. Чувствительность отклика выражается в A/Вт (токовая чувствительность) или в В/Вт (вольтовая чувствительность) и иногда называется просто чувствительностью или интегральной чувствительностью.

Рисунок 1.22. Зависимость квантовой эффективности от длины волны для различных материалов

Чувствительность отклика является отношением среднеквадратического (СКВ) значения выходного тока или напряжения фотодетектора к среднеквадратическому (СКВ) значению электрической мощности, т.е.:

где Iф — фототок, а Ри- полная оптическая мощность излучения на длине волны λ, падающего на фоточувствительную площадку.

Для фотодиода чувствительность отклика S связана с длиной волны светового потока А и квантовой эффективностью q, той частью падающих фотонов, которые производят пары электрон — дырка. Следовательно,

где λ — длина волны излучения, нм;

— квантовая эффективность.

Чувствительность отклика может быть также связана с зарядом электрона следующим выражением:

где η

— квантовая эффективность;

е — заряд электрона (1,6*1019 Кл);

h — постоянная Планка, эВ-с (см. выше);

— частота излучения в Гц.

Типичное значение токовой чувствительности для p-i-n фотодиодов в их рабочих диапазонах составляет 0,5…0,8 А/Вт.

Спектральная характеристика отражает зависимость чувствительности фотоприемника от длины волны воздействующего монохроматического излучения S = f(λ). Эта характеристика определяет спектральную область применения фотоприемника.

Рисунок 1.23. Спектральные характеристики германиевого (1) и кремниевого (2)фотодиодов.

Область спектральной чувствительности зависит от того, из какого материала изготовлен фотодиод. Типичные спектральные характеристики фотодиодов показаны на рисунке 1.23.

Зависимость спектральной чувствительности от длины волны является сложной. Эта зависимость имеет максимум при некоторой длине волны (λ 0), причем спад в области длинных волн связан с зависимостью квантового выхода η

(λ) от длины волны, а в области коротких длин волн — с зависимостью коэффициента межзонного поглощения а(λ) от длины волны. Коэффициент поглощения растет и большая часть излучения поглощается в приповерхностном слое базы и меньшая часть генерированных светом носителей доходит до р-n перехода. То есть, положение коротковолновой границы фоточувствительности зависит от ширины базы и скорости поверхностной рекомбинации. Обе зависимости имеют красную границу, поскольку при энергии квантов hv меньше ширины запрещенной зоны Eg межзонное поглощение света не происходит.

Темновой ток Iт (А) протекает при обратном смещении через нагрузку в отсутствии падающего на фотодиод излучения. Его величина зависит от материала полупроводника, температуры окружающей среды, конструкции фотоприемника. Максимальные значения этот ток имеет в фотодиодах, изготовленных из германия, и составляет от долей до единиц миллиампера.

Вольт — амперная характеристика фотодиода. Вольт — амперная характеристика отражает зависимость тока I, проходящего в цепи фотоприемника, от напряжения U на нем при заданном потоке излучения

I = f(U).

Световой (общий) ток представляет собой сумму токов:

I=IT+Iф ,

где IТ—ток в отсутствие освещения; Iф — фототок.

На рисунке 1.24 показаны схемы включения фотодиода с резистором Rн.

— +

Rн

Uсм

Рисунок 1.24. Схемы включения фотодиода с резистором Rн:

а) схема включения ФД в фотодиодном режиме,

б) схема включения ФД в фотогальваническом режиме

На рисунке 1.25 представлено семейство вольт – амперных характеристик р-i-n фотодиода. Величина Unp – напряжение электрического пробоя фотодиода.

Вольт — амперные характеристики фотодиода в квадранте I соответствуют включению в прямом направлении.

Если открыть ФД, то через него потечет прямой ток (ток диффузии), значительно превышающий фототок. Фотоуправление током через диод становится невозможным (квадрант I — это нерабочая область для фотодиода).

Квадрант II отражает работу в фотогальваническом режиме. По оси напряжения можно определить фото — ЭДС (Uхх) при различной интенсивности принимаемого светового потока Ф и при Rн =∞. Точки пересечения вольт — амперных характеристик с осью токов соответствуют значениям фототоков короткого замыкания Iк.з. (Rн = 0). Промежуточные значения сопротивления нагрузки определяются линиями нагрузки, которые для разных значений R выходят из начат координат под разным углом. При заданном значении тока по вольт — амперной характеристике можно выбрать оптимальный режим работы фотодиода фотогальваническом режиме. Под оптимальным режимом в данном случае понимают выбор такого сопротивления нагрузки, при котором в Rн будет передаваться наибольшая электрическая мощность.

Рисунок 1.25. Семейство вольт — амперных характеристик p-i-n фотодиода

Квадрант III характеризует включение прибора в фотодиодном режиме (к р-n переходу прикладывается обратное напряжение). В рабочем диапазоне обратны напряжений фототок практически не зависит от обратного напряжения сопротивления нагрузки.

Вольт — амперная характеристика нагрузочного резистора RHпредставляет собой прямую линию.

Так как фотодиод и нагрузочный резистор соединены последовательно (см. рис 24а), то через них протекает один ток 1н. Этот ток можно определить по точке пересечения вольт — амперной характеристики фотодиода и нагрузочной прямой резистора (квадрант III). Таким образом, в фотодиодном режиме при заданном потоке излучения фотодиод является источником тока по отношению к внешней цепи. Значение тока Iн от параметров внешней цепи (UCM, RH) практически не зависит.

Энергетическая (световая) характеристика отображает зависимость фотоотклика прибора от интенсивности возбуждающего потока излучения (ампер — ваттная I = f(Ф), вольт — ваттная U= f(Ф), люкс — амперная). Энергетической характеристикой называют также зависимость интегральной или спектральной чувствительности приемника от интенсивности потока излучения. Энергетическая характеристика ФД в фотодиодном режиме линейна в широких пределах.

Частотные характеристики описывают зависимость чувствительности от частоты модуляции излучения или длительности импульсов и характеризуют инерционность прибора. На рисунке 1.26 представлена частотная характеристика фотодиода.

Рисунок 1.26. Частотная характеристика фотодиода

Фотодиоды — малоинерционные фотоприемники. Инерционность их зависит от емкости р-п — перехода, условий разделения электронно-дырочных пар и сопротивления нагрузки. В оптических линиях связи требуются фотоприборы с высоким быстродействием (несколько наносекунд и менее). К фотоприборам, обладающим малой инерционностью, относятся p-i-nфотодиоды и лавинные фотодиоды.

Быстродействие фотодиода зависит от времени нарастания фототока при воздействии на фотодиод импульса оптической мощности (Рис.1.27).

Время нарастания trise (спада tfall)

— это самая важная динамическая характеристика фотоприемника. Она определяется как время, необходимое выходному сигналу, чтобы возрасти от уровня 0,1 до 0,9 (упасть от 0,9 до 0,1) от установившегося максимального значения при условии, что на вход подаются строго прямоугольные импульсы света большой длительности. Эти времена зависят от геометрии фотодиода, материала, напряженности электрического поля в слаболегированной области, температуры. Максимальная из двух величин (обычно trise) берется в качестве характеристики времени отклика фотоприемника. С увеличением частоты модуляции входных оптических импульсов максимальное значение фототека уменьшается. Предельная частота определяется как частота модуляции, при которой токовая чувствительность составляет 0,707 от значения токовой чувствительности при низких частотах модуляции (см. рис 1.26).

Рисунок 1.27. Характеристика быстродействия р-i-n ФД

Если внутренние задержки прямо не влияют на полосу пропускания или скорость передачи, то времена нарастания и слада главным образом определяют полосу пропускания. Различные фотоприемники могут очень сильно отличаться по быстродействию. Наиболее быстрыми являютсяp-i-nфотодиоды.

Величина быстродействия фотодиода определяется временем дрейфа носителей через i- область. Поэтому для увеличения быстродействия желательно уменьшить толщину i— слоя для электрического тока и сохранять толщину для светового потока. Это реализовано в конструкции фотодиода в форме «мезы» — горы, которая представлена на рисунке 1.28.

Рисунок 1.28 Конструкция p-i-n фотодиода, выполненного в форме «мезы»

— Максимально допустимое обратное напряжениеUобр.макс.доп- это напряжение, превышение которого может привести к пробою фотоприемника и его разрушению, Наряду с этим значением или вместо него изготовители фотоприемников могут указывать просто обратное рабочее напряжение Если выбрать меньшее значение рабочего напряжения, то будет ограничена область линейной характеристики фотоприемника. Диапазон возможных рабочих напряжений типичных р-i-n фотодиодовUраб = 1…30 В.

— Шумы p-i-n фотодиода. При анализе шумовых свойств ФД, т. е. при необходимости найти отношение сигнал-шум или определить чувствительность, ограниченную только фотоприемником, обычно требуется учитывать три вида шумовых токов: 1) шумовой ток, возникающий при детектировании светового потока (дробовый шум); 2) шумовой ток, обусловленный случайным тепловым движением электронов в нагрузочном сопротивлении и в последующих электронных цепях; 3) шумовой ток самого ФД, основная составляющая которого обусловлена темповым током. Т.е. ток фотодиода состоит из трех составляющих:

Iфд = Iф+Iфон+Iт ,

где Iф — ток, обусловленный детектированием сигнала,

Iфон – ток, обусловленный попаданием на фотодетектор постороннего (фонового) оптического излучения;

Iт — темповой ток.

Если уменьшить тепловой шум нагрузочного сопротивления изменением эффективной температуры сопротивления, а принципиально неустранимый дробовый шум считать малым, то пороговую чувствительность ФД будет определять тем новой ток. С этой точки зрения для реализации максимальной пороговой чувствительности необходимо выбирать ФД с минимальными темновыми токами. Величина темнового тока зависит от свойств материала ФД, температуры, площади р-п — перехода, конструктивных особенностей и т. д.

— Электрическая схема включения фотодиода приведена на рисунке 1.29.

Рисунок 1.29. Схема включения p-i-n фотодиода

В схеме включения разделительная емкость Ср позволяет устранить высокое напряжение смещения Uсм (до 30 В) со входа малошумящего усилителя.

— Динамический диапазон линейности (в децибелах) характеризует область значений светового потока Ф (от Фmin до Фmax), в которой энергетическая (световая) характеристика является линейной:

∆ = 10lg∙(Фmaх/Фmin).

Динамический диапазон входных оптических мощностей для схемы фотодиода с усилителем может достигать∆ p-i-n — 60 дБ.

Достоинства и недостатки p-i-n фотодиода
К достоинствам p-i-n фотодиодов относятся следующие:
· высокая фоточувствительность (для λ = 0,9мкм, Smax = 0,7 A/Вт) и высокое быстродействие
· высокая фоточувствительность в длинноволновой части спектра (обусловлена широкой i — областью);
· малая барьерная емкость;
· высокая эффективность при малых обратных напряжениях.
К недостаткам p-i-n фотодиодов относятся:
· малая фото — ЭДС (≤ 0,35 — 0,45 В);
· повышенные токи утечки;
· p-i-n диоды не совместимы с ИС.

Проверка фотодиода мультиметром

Рассмотрим, как проверить мультиметром фотодетекторы. Тестером замеряют значения сопротивления (обратного и прямого) в процессе освещения/затемнения диода. Мультиметр (или омметр) переводят на отметку 200 кОм.

Иногда встречается характерный дефект — хаотическое изменение тока («ползучесть»). Для обнаружения неполадки собирают простую схему (смотреть рисунок ниже) и замеряют величину обратного тока на протяжении нескольких минут. Если ток неизменный, то деталь рабочая. Проверять можно запчасть на плате, но возможны погрешности, поэтому всегда рекомендована выпайка.

Фотодиодная матрица

Чип фотодиодной матрицы 2 x 2 см с более чем 200 диодами
Одномерный массив из сотен или тысяч фотодиодов может использоваться в качестве позиции датчик, например, в составе датчика угла.[23]

В последние годы одним из преимуществ современных матриц фотодиодов (КПК) является то, что они могут обеспечивать высокоскоростное параллельное считывание, поскольку управляющая электроника не может быть встроена как устройство с зарядовой связью (CCD) или CMOS сенсор.

Пассивно-пиксельный сенсор

В пассивно-пиксельный датчик (PPS) — это тип матрицы фотодиодов. Это был предшественник датчик с активным пикселем (APS).[20] Пассивный пиксельный сенсор состоит из пассивных пикселей, которые считываются без усиление, где каждый пиксель состоит из фотодиода и МОП-транзистор переключатель.[24] В матрице фотодиодов пиксели содержат p-n переход, интегрированный конденсатор, и полевые МОП-транзисторы в качестве выбора транзисторы. Матрица фотодиодов была предложена Г. Веклером в 1968 г., предшествовавшей ПЗС-матрице.[25] Это было основой для PPS.[20]

Ранние фотодиодные матрицы были сложными и непрактичными, поэтому требовалось, чтобы в каждом пикселе производились селективные транзисторы, а также на кристалле. мультиплексор схемы. В шум фотодиодных матриц также было ограничением производительности, поскольку считывание фотодиодов автобус емкость привела к увеличению уровня шума. Коррелированная двойная выборка (CDS) также нельзя было использовать с матрицей фотодиодов без внешнего объем памяти. Не было возможности изготовить активные пиксельные датчики с практическим размером пикселя в 1970-х годах из-за ограниченного микролитография технологии в то время.[25]

Схемы с фотодиодами, где используются и примеры сборок

Фотодиоды применяются:

для достаточно узкой специфической сферы — для волоконно-оптических систем передачи данных (ВОСП, ВОЛС). С этой областью сталкиваются не так часто даже электронщики. Именно тут особо актуальные рассмотренные нами вкратце характеристики (ВАХ, чувствительность и прочее) для расчета фотодиодных конструкций.
солнечные батареи. Такие изделия подключаются по обычным схемам по инструкции данной продукции;
оптопары, оптроны, реагирующие на свет сигнализации, разнообразные реле, автоматика, датчики, а также приемники ИК-излучения (пульты ДУ, подобные приборы управления).

Основы схем с фотодиодами

Схема включения для каждого из двух режимов имеет отличия. Ниже типовой чертеж подсоединения устройства как преобразователя. Обратим внимание: подключен с обратным направлением относительно источника питания.

Как генератор. При поступлении света на выводах появляется напряжение, токи короткого замыкания в данном режиме равны десяткам ампер, что напоминает работу гелиобатарей, но тут мощность небольшая.

Важное замечание по схемам реле: подстроечник нужен для регулировки чувствительности, а без резистора в коллекторной линии оптопара может перегореть.

Схема простого фотодиодного реле

Сборка с фотодетектором 320 (очень популярная спецификация). Как и другую такую деталь, его можно протестировать мультиметром, узнать, где анод/катод. При этом значения тестера разняться, если диод затемнять.

Если фотодиод работает как датчик, реле, элемент ДУ, а это большинство бытовых приборов, то он включается в обратном направлении: катод к «+», анод — к «−». («фоторезисторное» подсоединение). В затененности обратное сопр. элемента очень высокое, при большем излучении оно понижается. Такую особенность применяют для управления оснащением.

На рис. выше простое реле:

VD1 — фотодиод и к нему R1 — переменник. Сопр. первого уменьшается с понижением интенсивности света;
VT1 — транзистор. Напряжение на его базе растет, если подсветить, и он в определенной точке периода подачи света откроется, это же случится с VT2;
на обмотку расцепителя K1 после указанных выше процессов поступит ток — узел переключится. Если поместить деталь в тень, то на VT1 понизится напряжение, произойдет запирание транзисторов, контакты разомкнутся, реле деактивируется.

R1 является подстроечником, им настраивается сенситивность фотореле, чтобы была активация только от фонарика. Такое реле можно применять как простую систему ДУ, а подсветка будет работать как пульт.

Составляющие схемы простые и доступные:

фотоэлемент 320. Можно также взять другие модели: 263. Перед установкой проверяют где анод/катод. Применяют мультиметр процедура аналогичная как для простых диодов. А также не лишним будет убедиться в реакции диода на свет;
транзисторы КТ3102 и 814;
э/м реле WJ118-1С. Можно взять другое, но рекомендовано, чтобы обмотка была от 200 Om и для 10 — 15V.

Как работать со схемой. После сборки подвиньте ручку переменника R1, чтобы установилось макс. сопр. Поместите плату вдали от прямого света. При сборке надо не перепутать полярность. Подсоедините питание (также надо соблюсти предыдущую рекомендацию). На реле не должно быть сработки, щелчка. Если это произошло, поверните селектор R1, чтобы оно выключилось. Теперь, фонариком можно поэкспериментировать: освещать и наблюдать, как будет происходить включение реле.

Схема дистанционного выключателя

Выше отображен переключатель, управляемый маленьким фонариком, лазером. Использовано 2 фотодиода: для вкл. надо его направить на VD2, для выкл. — на VD1. Сенситивность настраивается переменниками R1 и 2. На микросхему D1 (K561ЛА7) установили RS-триггер для вкл./выкл. реле.

При подсвечивании VD2, его сопр. понижается, а напряжение на вх. D1.2 вырастет до степени логической единицы. На вых. D1.2 возникнет 0, триггер на D1.3 — D1.4 перейдет на состояние, когда на вых. D1.4 будет логическая единица. Она же и отопрет VT1, ток потечет на реле. При отсутствии освещенности триггер так и остается, расцепитель будет активирован.

Все работающие подобные сборки фотореле имеют схожий алгоритм. Для выключения надо осветить VD1: изменится реакция триггера, на вых. D1.3 будет 0. Ключ VT1 запрется, реле деактивируется и так останется при исчезновении света. Итак: для сработки надо посветить на VD2, для выкл. — на VD1. Зазор между диодами — 5 см, чего достаточно для контроля лазерным указателем.

Наладка состоит только из выставления чувствительности фотоэлементов подстроечниками R1 и 2. Такой переключатель надо размещать так, чтобы не было значительных перепадов интенсивности излучения, прямых лучей на линзах. Фонарики действуют с 2–3 м. Для лазерных указателей ночью при настройке макс. чувствительности — 20–30 м, днем эта цифра будет меньшей, так как выставляется меньшая сенситивность

В рассматриваемом примере реле и диоды аналогичны как в чертеже из предыдущего раздела. Микроконтроллеры: К561ЛА7 или 1561ЛА7, 176ЛА7. Выводы КТ815 располагаются как у КТ814.

Еще чертежи фотореле

Чертеж сборки и подключения фотореле для уличного освещения, прибор срабатывает при отсутствии света:

В сборке ниже можно применить вместо фоторезистора фотодиод:

Простое фотореле для включения света при наступлении темной поры суток:

Робот, убегающий от света

Робот из корпуса компьютерной мышки, уезжающий в затененные локации:

Управляется робот фонариком:

Электронная мышеловка на фотодиодах

Элементы:

любой ИК-фотодиод;
электромагнит. Можно взять из б/у бытовых приборов или сделать катушку самому (инструкции есть в избытке в сети);
КТ 3107 (транзистор) обеспечивает гальваническому диоду чувствительность;
КТ818 ставим, потому что электромагнит достаточно мощная нагрузка (для нашей ситуации его пол ампера это много);
резистор. Без него схема будет реагировать даже на простой свет.

Процесс изготовления: собираем корпус, диоды (фото и свето) напротив друг друга, дальше от входа (при пересечении потока света будет сработка), чтобы между ними могла пройти мышь. Над входом магнит с решетчатой дверкой. В схеме также есть источник питания — «крона» 9 В. Использован стандартный принцип: светодиод подает на фотодиод излучение, который воспринимает свет и дает сигнал на электромагнит, закрывающий вход мышеловки.

Схемы с фотодиодами на Arduino

Есть также множество сборок разнообразных реле, ИК-приемников на базе микроконтроллера Arduino.

Приемник ИК-сигнала:

Простые пульты управления:

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.

p – i – n фотодиод

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

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

Лавинные фотодиоды

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

1 — омические контакты 2 — антиотражающее покрытие

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

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

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

Принцип действия

При обратном напряжении, близком к величине лавинного пробоя, фототок резко усиливается за счет ударной ионизации носителей заряда.

Действие заключается в том, что энергия электрона повышается от внешнего поля и может превзойти границу ионизации вещества, вследствие чего встреча этого электрона с электроном из зоны валентности приведет к появлению новой пары электрона и дырки.

Носители заряда этой пары будут ускоряться полем и могут способствовать образованию новых носителей заряда.

Характеристики

Свойства таких световых диодов можно описать некоторыми зависимостями.

Вольт-амперная

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

I — ток M — коэффициент умножения U — напряжение

Световая

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

Спектральная

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

Постоянная времени

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

Темновое сопротивление

Это значение сопротивления диода в темноте.

Инерционность

Факторы, влияющие на эту характеристику:

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

Сфера применения

Фотодиоды являются основными элементами многих оптоэлектронных приборов.

Интегральные микросхемы (оптоэлектронные)

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

Фотоприемники с несколькими элементами

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

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

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

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

Наиболее влияющими оказались такие факторы:

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