Фотодиоды свойства, схемы включения, применение. Фотоэлектронные приборы
1. Энергетические характеристики фотодиода связывают фототок со световым потоком, падающим на фотодиод. Зависимость фототока от светового потока при работе фотодиода в генераторном режиме - является строго линейной только при короткозамкнутом фотодиоде . С ростом нагрузочного сопротивления характеристики все больше искривляются и при больших имеют ярко выраженную область насыщения (рис. 3.12, а). При работе фотодиода в схеме с внешним источником напряжения энергетические характеристики значительно ближе к линейным. При увеличении приложенного напряжения фототок несколько возрастает (рис. 3.12, б). Это объясняется расширением области -перехода и уменьшением ширины базы, в результате чего меньшая часть носителей заряда рекомбинирует в базе при движении к -переходу.
2. Абсолютные и относительные спектральные характеристики фотодиода аналогичны соответствующим характеристикам фоторезистора и зависят от материала фотодиода и введенных примесей (рис. 3.12, в).
Спектральные характеристики практически захватывают всю видимую (300-750 нм) и инфракрасную области спектра.
4. Частотная характеристика показывает изменение интегральной чувствительности при изменении яркости светового потока с разной частотой излучения (рис. 3.12, г). Иногда инерционные свойства фотодиода характеризуют граничной частотой, на которой интегральная чувствительность уменьшается в раз по сравнению со своим статическим значением.
Рис. 3.12. Энергетические характеристики фотодиода в режиме (а) и при работе с внешним источником (б); относительные спектральные и частотные характеристики
Граничная частота быстродействующих кремниевых фотодиодов - порядка Гц.
Для повышения быстродействия и увеличения чувствительности в последние годы разработан ряд фотодиодов; со встроенным электрическим полем; на основе с барьерами Шотки; лавинные фотодиоды и т. д.
В фотодиодах с встроенным электрическим полем базу получают с помощью процесса диффузии. Из-за неравномерного распределения концентрации примесей в ней возникает внутреннее электрическое поле, которое ускоряет движение неосновных носителей заряда к -переходу.
Вследствие наложения диффузионного и дрейфового движений фотодиода несколько возрастает.
Фотодиоды, выполненные на основе , имеют значительно большую толщину области, обедненной основными носителями заряда, так как между р- и -областями имеется -область с собственной электропроводностью. К переходу без риска пробить его можно приложить значительные напряжения. В результате возникает ситуация, когда световое излучение поглощается непосредственно в области, обедненной основными носителями заряда, в которой создано электрическое поле высокой напряженности. Электроны и дырки, возникающие в области перехода при световом облучении, мгновенно перекидываются в соответствующие области. В результате быстродействие резко возрастает и f достигает значений Гц.
Аналогичными по быстродействию являются фотодиоды на основе барьера Шотки. Они выполняются из кремния, на поверхность которого нанесено прозрачное металлическое покрытие из пленок золота мкм) и сернистого цинка 01 к 0,05 мкм), создающее барьер Шотки. Благодаря минимальному сопротивлению базы и отсутствию процессов накопления и рассасывания избыточных зарядов быстродействие получается достаточно высоким Гц).
В лавинных фотодиодах используется лавинный пробой -перехода или барьера Шотки. От обычных фотодиодов они отличаются тем, что возникшие в результате светового облучения носители заряда лавинно размножаются в области -перехода вследствие ударной ионизации. Выбором внешнего напряжения и параметров цепи обеспечивается возникновение лавинного пробоя только при световом облучении. Этот процесс приводит к тому, что ток в цепи увеличивается по сравнению с током , обусловленным световой генерацией и тепловым током перехода, в раз (М-коэффициент лавинного умножения носителей.
Коэффициент лавинного умножения описывается зависимостью
Фоторезистор
ИМХО вымирающий вид. Последний раз я его видел еще в детстве. Обычно представляет собой такой металический кругляк со стеклянным окошком, в котором видна этакая . При освещении его сопротивление падает, правда незначительно, раза в три четыре.
Фототранзистор
Последнее время я на них натыкаюсь постоянно, неиссякаемый источник фототранзисторов — пятидюймовые дисководы. Последний раз я, по цене грязи, надыбал на радио барахолке штук 5 платок от дисковертов, там светотранзисторы стоят напротив дырок контроля записи и вращения дискеты. Еще сдвоенный фототранзистор (а может и фотодиод, как повезет) стоит в обычной шариковой мышке.
Выглядит как обычный светодиод, только корпус прозрачный. Впрочем, светодиоды тоже такие же бывают так что перепутать кто из них кто раз плюнуть. Но это не беда, партизан легко вычисляется обычным мультиметром. Достаточно включить омметр между его эмитером и коллектором (базы у него нет) и посветить на него, как его сопротивление рухнет просто катастрофически — с десятков килоом до считанных ом. Тот который у меня в детекторе вращения шестерен в роботе меняет свое сопротивление с 100кОм до 30 Ом. Работает фототранзистор подобно обычному — держит ток, но в качестве управляющего воздействия тут не ток базы, а световой поток.
Фотодиод
Внешне ничем не отличается от фототранзистора или обычного светодиода в прозрачном корпусе. Также порой встречаются древние фотодиоды в металлических корпусах. Обычно это совковые девайсы, марки ФД-чето там. Такой металлический цилиндрик с окошком в торце и торчащими из задницы проводками.
В отличии от фототранзистора, может работать в двух разных режимах. В фотогальваническом и фотодиодном.
В первом, фотогальваническом, варианте фотодиод ведет себя как солнечная батарейка, то есть посветил на него — на выводах возникло слабенькое напряжение. Его можно усилить и применить =). Но куда проще работать в фотодиодном режиме. Тут мы подаем на фотодиод обратное напряжение. Поскольку он хоть и фото, но диод, то в обратную сторону напряжение не пойдет, а значит его сопротивление будет близко к обрыву, а вот если его засветить, то диод начнет очень сильно подтравливать и сопротивление его будет резко падать. Причем резко, на пару порядков, как у фототранзистора.
Спектр
Кроме типа прибора у него еще есть рабочий спектр. Например, фотодетектор заточенный на инфракрасный спектр (а их большинство) практически не реагирует на свет зеленого или синего светодиода. Плохо реагирует на лампу дневного света, но хорошо реагирует на лампу накаливания и красный светодиод, а уж про инфракрасный и говорить нечего. Так что не удивляйся если у тебя фотодатчик плохо реагирует на свет, возможно ты со спектром ошибся.
Подключение
Теперь пора показать как это подключить к микроконтроллеру. С фоторезистором все понятно, тут заморочек нет никаких — берешь и подцепляешь как по схеме.
С фотодиодом и фототранзистором сложней. Надо определить где у него анод/катод или эмитер/коллектор. Делается это просто. Берешь мультиметр, ставишь его в режим прозвонки диодов и цепляешься на свой датчик. Мультиметр в этом режиме показывает падение напряжения на диоде/транзисторе, а падение напряжения тут в основном зависит от его сопротивления U=I*R. Берешь и засвечиваешь датчик, следя за показаниями. Если число резко уменьшилось, значит ты угадал и красный провод у тебя на катоде/коллекторе, а черный на аноде/эмитторе. Если не изменилось, поменяй выводы местами. Если не помогло, то либо детектор дохлый, либо ты пытаешься добиться реакции от светодиода (кстати, светодиоды тоже могут служить детекторами света, но там не все так просто. Впрочем, когда будет время я покажу вам это технологическое извращение).
 |
Теперь о работе схемы, тут все элементарно. В затемненном состоянии фотодиод не пропускает ток в обратном направлении, фототранзистор тоже закрыт, а у фоторезистора сопротивление весьма высоко. Сопротивление входа близко к бесконечности, а значит на входе будет полное напряжение питания aka логическая единица. Стоит теперь засветить диод/транзистор/резистор как сопротивление резко падает, а вывод оказывается посажен наглухо на землю, ну или весьма близко к земле. Во всяком случае сопротивление будет куда ниже 10кОмного резистора, а значит напряжение резко пропадет и будет где то на уровне логического нуля. В AVR и PIC можно даже резистор не ставить, вполне хватит внутренней подтяжки. Так что DDRx=0 PORTx=1 и будет вам счастье. Ну а обратывать это как обычную кнопку. Единственная сложность может возникнуть с фоторезистором — у него не настолько резко падает сопротивление, поэтому до нуля может и не дотянуть. Но тут можно поиграть величиной подтягивающего резистора и сделать так, чтобы изменения сопротивления хватало на переход через логический уровень.
Если надо именно измерять освещенность, а не тупо ловить светло/темно, то тогда надо будет подцеплять все на АЦП и подтягивающий резистор делать переменным, для подстройки параметров.
Есть еще продвинутый тип фотодатчиков — TSOP там встроенный детектор частоты и усилитель, но о нем я напишу чуть попозже.
З.Ы.
У меня тут некоторые запарки, поэтому сайт будет сильно тупить с обновлением, думаю это до конца месяца. Дальше надеюсь вернуться в прежний ритм.
Лабораторная работа № 16
Изучение фотодиода
Цель: Ознакомиться с принципом действия, устройством, характеристиками и применением полупроводниковых фотодиодов.
Приборы и принадлежности: германиевый фотодиод ФД-7Г, стенд для измерения вольт-амперных характеристик диодов, оптическая скамья с осветителем, блок питания, осциллограф.
Теоретическое введение
Фотодиодом называется полупроводниковый диод, чувствительный к свету и предназначенный для преобразования светового потока (оптического излучения) в электрический сигнал.
Не отличаясь по принципу действия от фотопреобразователя солнечной энергии, фотодиоды имеют свои конструктивные особенности и характеристики, которые определяются их назначением.
Фотодиоды предназначены для применения в качестве приёмников и датчиков оптического излучения (обычно видимого и инфракрасного) в составе аппаратуры и различных приборов, использующих видимое и инфракрасное излучение.
В основе работы фотодиодов лежит явление внутреннего фотоэффекта, при котором под действием света в полупроводнике появляются дополнительные (неравновесные) электроны и дырки, создающие фототок или фотоэдс.
1. Принцип работы фотодиодов с p-n-переходом. В фотодиодах светочувствительным элементом является переходная область - p-n-переход, расположенная между областями с электронной и дырочной проводимостью (рис.1).
Образование p-n-перехода. Полупроводник n-типа содержит некоторое количество примесных атомов донорного типа, которые при комнатной температуре практически все ионизованы. Таким образом, в таком полупроводнике имеется n о свободных электронов и такое же количество неподвижных положительно заряженных ионов донорной примеси.
В дырочном полупроводнике (полупроводнике p-типа) реализуется подобная ситуация. В нем имеется p о свободных дырок и столько же отрицательно заряженных ионов акцепторных атомов. Принцип образования p-n-перехода показан на рис. 1.
При контакте p- и n- областей в них, вследствие наличия градиента концентраций электронов и дырок, возникает диффузионный поток электронов из полупроводника n-типа в полупроводник p-типа и, наоборот, поток дырок из p- полупроводника в n-полупроводник. Электроны, перешедшие из n-области в р-область, рекомбинируют с дырками вблизи границы раздела. Аналогично рекомбинируют дырки, перейдя из р-области в n- область. В результате вблизи p-n-перехода практически не остается свободных носителей заряда (электронов и дырок).
Тем самым по обе стороны от p-n-перехода образуется сформированный неподвижными примесными ионами двойной заряженный слой (другие названия – слой обеднения или область пространственного заряда (ОПЗ), запирающий слой), создающий сильное электрическое поле. Электрическое поле запирающего слоя направлено от n –области к p-области и противодействует процессу диффузии основных носителей заряда из областей удаленных от p-n-перехода в обедненную область. Такое состояние является равновесным и при отсутствии внешних возмущений может существовать сколь угодно долго.
Рис. 1 – Образование p-n- перехода Рис. 2
Принцип работы фотодиода. Оптическое излучение (свет), поглощаемое в полупроводниковой структуре с p-n-переходом, создает свободные пары “электрон-дырка” при условии, что энергия фотона hν превышает ширину запрещенной зоны полупроводника Eg.
Свободные электроны и дырки возникают как в p- и n- областях перехода, так и в непосредственной близости к запирающему слою. Существующее в запирающем слое электрическое поле (поле p-n-перехода) разделяет созданные светом свободные носители заряда в зависимости от их знака в разные части фотодиода: свободные электроны перемещаются в n-область перехода, а дырки перемещаются в p- область, что приводит к заряжению этих областей (рис.2).
При освещениидырки накапливаются в р-области, заряжая её положительно. Электроны накапливаются в n-области, заряжая её отрицательно. Поэтому между ними возникает разность потенциалов.
При это возможны два режима работы прибора: в схемах с внешним источником питания и без него. Режим работы фотодиода с внешним источником питания называется фотодиодным, а без внешнего источника питания - режимом генерации фотоэдс (другое название - фотовольтаический режим).
Режим генерации. В этом случае на переход не подано внешнее напряжение и цепь разомкнута. Освещение приводит к накоплению фотоэлектронов в n-области и дырок в р-области. В результате образуется разность потенциалов U ф (часто называют «напряжение
Рис. 3 Рис.4 – Вольт-амперные характеристики фотодиода
при различных световых потоках (Ф 1 < Ф 2 < Ф 3).
холостого хода U хх »), то есть появляется фотоэдс. Накопление избыточных электронов и дырок происходит не беспредельно. Одновременно с возрастанием концентрации дырок в дырочной области и электронов в электронной области происходит понижение потенциального барьера перехода на величину фотоэдс и возникает диффузия основных носителей заряда через р-n-переход. Наступает динамическое равновесие.
При подключении к внешним выводам фотодиода нагрузки R н в её цепи появится ток (рис.3). Во внешней цепи фототок направлен от р-области к n-области. В таких условиях фотодиод работает как преобразователь энергии излучения в электрическую энергию.
Вольт-амперная характеристика освещённого р-n-перехода. Вольт-амперную характеристику р-n-перехода при освещении можно записать в следующем виде:
,
(1)
где I н - ток насыщения в темноте; I ф - фототок, то есть ток, созданный возбуждёнными светом носителями заряда и проходящий через р-n-переход; U – внешнее напряжение на переходе.
На рис. 4 показаны графики вольт-амперных зависимостей при различных световых потоках Ф. При отсутствии освещения (I ф = 0) вольт-амперная (темновая) характеристика проходит через начало координат. Остальные кривые, соответствующие определённым световым потокам, смещаются по оси ординат (оси токов) на отрезки, равные силе фототока - I ф. Из выражения (1) видно, что при обратном включении (U < 0) и при
(qU >> kT) сила тока через переход I = - (I н + I ф).
Части кривых, расположенные в третьем квадранте, соответствуют фотодиодному режиму работы): части кривых, расположенные в четвёртом квадранте, - режиму генерации фотоэдс.
Если во внешней цепи сила тока I = 0 (цепь разомкнута), то из выражения (1) можно найти напряжение холостого хода U ф.
Если фотодиод в режиме генерации включен во внешнюю цепь с малым сопротивлением, то фотоэлектроны в n – области не накапливаются и U ф = 0. А поскольку внешнее напряжение отсутствует, то в цепи течёт ток I = - I ф, часто называемый током короткого замыкания и прямо пропорциональный световому потоку I ф ~ Ф.
Рис. 5 – Структурная схема фотодиода и схема
его включения при работе в фотодиодном режиме: Рис.6
1 - кристалл полупроводника; 2 - контакты;
3 - выводы; Ф - поток электромагнитного
излучения; n и р - области полупроводника;
Е - источник постоянного тока; R н - нагрузка.
Фотодиодный режим. В этом режиме на р-n-переход подано обратное напряжение
(р-область подключена к минусу источника напряжения, а n-область к плюсу источника; рис. 5). Схема включает также нагрузочное сопротивление (резистор) R н. В этом случае переход обладает огромным сопротивлением и через него течёт слабый обратный ток (ток насыщения в темноте I н). При освещении фотодиода ток через него резко возрастает за счёт возникновения фототока и может значительно превысить темновой ток I н (рис. 4). Соответственно изменяется и падение напряжения на нагрузочном сопротивлении R н. При правильном выборе иcточника напряжения и внешнего сопротивления R н величина электрического сигнала (напряжения на резисторе) может быть большой и поэтому фотодиоды широко применяются для регистрации и измерения световых сигналов.
Ток через фотодиод в основном определяется потоками неосновных неравновесных носителей заряда (электронов в р-области и дырок в n-области), возникающих при освещении, и не зависит от напряжения, то есть носит характер тока насыщения. Поэтому в фотодиодном режиме наблюдается строгая линейная зависимость фототока от освещённости вплоть до весьма больших значений освещённости. Это является важным достоинством фотодиодов.
Для регистрации переменных оптических сигналов (световых потоков) применяется схема, показанная на рис. 6. Изменяющийся световой поток, падающий на фотодиод, вызывает в цепи переменную составляющую тока, которая повторяет изменения интенсивности света. А на резисторе R н происходят такие же изменения напряжения, которое и поступает на вход регистрирующей системы. Чтобы отделить (не пропустить) постоянную составляющую напряжения на резисторе, в сигнальной цепи находится разделительный конденсатор С.
2. Технология изготовления и конструкция. Для изготовления р-n-переходов при производстве фотодиодов используют метод вплавления примесей и диффузию. Основное внимание при этом уделяется глубине расположения р-n-перехода относительно
Рис.7 – Конструкция гераниевого Рис.8 – Спектральные характеристики
фотодиода ФД-1. германиевых (1) и кремниевых фотодиодов (2).
освещаемой поверхности кристалла, поскольку она определяет инерционность (быстродействие) фотодиода. На рис.7 показана конструкция германиевого фотодиода ФД-1 в металлическом корпусе. Круглая пластинка 1, вырезанная из монокристалла германия с электропроводностью n-типа, закреплена с помощью кристаллодержателя 2 в коваровом корпусе 3. Вывод 4 от индиевого электрода, вплавленного в германий, пропущен через коваровую трубку 5, закреплённую стеклянным изолятором 6 в ножке корпуса 7. Другим электродом является сам корпус фотодиода, так как кристалл германия припаян к кристаллодержателю оловянным кольцом 8. В корпусе фотодиода имеется круглое отверстие, закрытое стеклянной линзой 9, которая собирает световой поток на ограниченную поверхность германиевой пластинки. Для защиты р-n-перехода от воздействия окружающей среды корпус фотодиода герметизирован.
Некоторые виды фотодиодов имеют пластмассовый корпус. Материал такого корпуса и окна в металлическом корпусе выбирают такими, чтобы они были прозрачными для той части спектра (излучения), к которой должен быть чувствителен данный фотодиод. Так, для германиевых приборов – это видимый свет и коротковолновое инфракрасное излучение.
Материалами , из которых изготавливают фотодиоды, служат Ge, Si, GaAs, HgCdTe и другие полупроводниковые соединения.
Основные характеристики и параметры фотодиодов
- Чувствительность S - параметр, который отражает изменение электрического сигнала (сила тока или напряжение) на выходе фотодиода при его освещении.
Количественно измеряется отношением изменения электрической характеристики (силы тока I ф или напряжения U ф), снимаемой на выходе фотодиода, к потоку излучения Ф, падающему на прибор.
S I = I ф / Ф - токовая чувствительность, S v = U ф / Ф - вольтовая чувствительность.
- Порог чувствительности Ф п – величина минимального светового потока, регистрируемого фотодиодом, отнесённая к единице полосы рабочих частот.
- Постоянная времени τ, которая характеризует инерционность прибора, то есть его быстродействие.
Это время, в течение которого фототок фотодиода изменяется после освещения или после затемнения фотодиода в е раз по отношению к установившемуся значению.
Для фотодиодов с р-n-переходом она составляет 10 -6 – 10 -8 с.
- Темновое сопротивление R Т – сопротивление фотодиода в отсутствие освещения.
- Спектральная характеристика – зависимость фототока от длины волны λ падающего на фотодиод света. Для германиевых и кремниевых фотодиодов спектральные характеристики показаны на рис.8. Длина волны, на которую приходится максимальная чувствительность, у кремниевых фотодиодов примерно равна λ макс = 800 – 900 нм, у германиевых фотодиодов находится при λ макс = 1500 – 1600 нм.
- Вольт-амперная характеристика - зависимость светового тока от напряжения при постоянном световом потоке.
- Световая характеристика - зависимость фототока от освещённости.
Некоторые другие параметры приведены в таблице.
Условное графическое обозначение фотодиодов показано на рис.9, фотографии некоторых фотодиодов – на рис.10.
Рис. 9 Рис.10
4. Применение фотодиодов. Современные фотодиоды обладают наилучшим сочетанием основных параметров:
1. Высокая чувствительность к оптическим сигналам;
2. Высокое быстродействие;
3. Малое рабочее напряжение;
4. Линейная зависимость фототока от освещённости в широком диапазоне освещённостей.
5. Низкий уровень шумов;
6. Простота устройства.
Поэтому они широко применяются в устройствах автоматики, вычислительной и лазерной техники, волоконно-оптических линиях связи.
В повседневной жизни фотодиоды используются в таких приборах, как устройства чтения компакт-дисков, современные фотокамеры, различные сенсорные устройства.
Например, инфракрасные фотодиоды применяются в пультах дистанционного управления, системах охраны, безопасности и автоматики.
Существуют рентгеновские фотодиоды, применяемые для регистрации ионизирующего излучения и частиц с высокой энергией. Одно из важных применений - в медицинских приборах, например в установках для проведения компьютерной томографии.
Выполнение работы
Задание 1. Измерение вольт-амперной характеристики фотодиода при отсутствии освещения (в темноте).
Фотоэлектронные приборы. Принцип работы, основные параметры и характеристики фотодиода.
ФОТОЭЛЕКТРОННЫЕ ПРИБОРЫ - электровакуумные или полупроводниковые приборы,преобразующие эл--магн. сигналы оптич. диапазона в электрические токи, напряжения или преобразующие изображения в невидимых (напр., ИК) лучах в видимые изображения. Ф. п. предназначены для преобразования, накопления, хранения, передачи и воспроизведения информации (включая информацию в виде изображения объекта). Действие Ф. п. основано на использовании фотоэффектов: внешнего (фотоэлектронной эмиссии), внутреннего (фотопроводимости) или вентильного. К Ф. п. относятся разл. фотоэлементы, фотоэлектронные умножители, фоторезисторы , фотодиоды, электронно-оптич. преобразователи, усилители яркости изображения, а также передающие электронно-лучевые трубки.
Фотоэлектронными называются приборы, преобразующие энергию оптического излучения в электрическую. В спектре длин волн оптического излучения для фотоэлектронных приборов в основном используются ультрафиолетовые излучения (диапазон длин волн λ=10-400 нм), видимое (λ=0,38-0,76 мкм) и инфракрасное (λ=0,74-1 мкм).
Работа фотоэлектронных приборов основана на явлениях внутреннего и внешнего фотоэффектов. Внутренний фотоэффект, используемый в основном в полупроводниковых фотоэлектронных приборах, заключается в том, что под действием лучистой энергии оптического излучения электроны получают дополнительную энергию для их освобождения от межатомных связей и перехода из валентной зоны в зону проводимости, в результате чего электропроводимость полупроводника существенно возрастает. При этом, согласно теории Эйнштейна, энергия световых квантов (фотонов) оптического излучения должна превышать ширину запрещенной зоны полупроводника. 
(36)
Следовательно, фотоэффект возможен только при воздействии на полупроводник излучения с длиной волны λ ф, меньшей некоторого граничного значения, называемого «красной границей».
(37)
где λ ф – длинноволновая граница спектральной чувствительности материала, мкм;
с – скорость света в вакууме;
– постоянная Планка; 
– ширина запрещенной зоны (рис.3), ограниченная краями энергетических зон ЗП, ВЗ, в электрон-вольтах (эВ).
Следует отметить, что возможности фотоэлектронных приборов могут расширяться при воздействии энергии разнообразных источников излучения. Такими источниками могут быть как источники фотонов (солнечная энергия, гамма-излучение, рентгеновское излучение), так и источники частиц с высокой энергией (электронная пушка, бета-излучение, альфа-частицы, протоны и др.) .
Фотодиод – это двухэлектродный полупроводниковый диод, в котором в результате внутреннего фотоэффекта в p-n переходе возникает односторонняя фотопроводимость при воздействии на него оптического излучения. Конструктивно он представляет собой кристалл с p-n переходом, причём световой поток при освещении прибора направляется перпендикулярно плоскости p-n перехода (рис.36). Различают два режима работы фотодиода: фотогенераторный (или, в различных источниках – запирающий, фотогальванический, фотовольтаический, вентильный) – без внешнего источника питания, и фотодиодный (иногда фотопреобразовательный) – с внешним источником.
Рис. 36. Структура фотодиода
Принцип работы фотодиода
Структурная схема фотодиода. 1 - кристалл полупроводника; 2 - контакты; 3 - выводы; Ф - поток электромагнитного излучения; Е - источник постоянного тока; Rн - нагрузка.
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 емкостью p-n-перехода C p-n
Фотодиод может работать в двух режимах:
§ фотогальванический - без внешнего напряжения
§ фотодиодный - с внешним обратным напряжением
Особенности:
§ простота технологии изготовления и структур
§ 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 фотоприемника, к световому потоку или потоку излучения, его вызвавшему.
Si ,Φv =I ΦΦv ; Si ,Ev =I ΦEv - токовая чувствительность по световому потоку
Su ,Φe =U ΦΦe ; Si ,Ee =U ΦEe - вольтаическая чувствительность по энергетическому потоку
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)
спектральные характеристики
зависимость фототока от длины волны падающего света на фотодиод. Она определяется со стороны больших длин волн шириной запрещенной зоны, при малых длинах волн большим показателем поглощения и увеличения влияния поверхностной рекомбинации носителей заряда с уменьшением длины волны квантов света. То есть коротковолновая граница чувствительности зависит от толщины базы и от скорости поверхностной рекомбинации. Положение максимума в спектральной характеристике фотодиода сильно зависит от степени роста коэффициента поглощения.
световые характеристики
зависимость фототока от освещенности, соответствует прямой пропорциональности фототока от освещенности. Это обусловлено тем, что толщина базы фотодиода значительно меньше диффузионной длины неосновных носителей заряда. То есть практически все неосновные носители заряда, возникшие в базе, принимают участие в образовании фототока.
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
Устройство и основные физические процессы. Упрощенная структура фотодиода приведена на рис. 6.7,а, а его условное графическое изображение – на рис. 6.7,б.
Рис. 6.7. Структура (а) и обозначение (б) фотодиода
Физические процессы, протекающие в фотодиодах, носят обратный характер по отношению к процессам, протекающим в светодиодах. Основным физическим явлением в фотодиоде является генерация пар электрон-дырка в области p-n-перехода и в прилегающих к нему областях под действием излучения.
Генерация пар электрон-дырка приводит к увеличению обратного тока диода при наличии обратного напряжения и к появлению напряжения uак между анодом и катодом при разомкнутой цепи. Причем uак>0 (дырки переходят к аноду, а электроны – к катоду под действием электрического поля p-n-перехода).
Характеристики и параметры. Фотодиоды удобно характеризовать семейством вольт-амперных характеристик, соответствующих различным световым потокам (световой поток измеряется в люменах, лм) или различным освещенностям (освещенность измеряется в люксах, лк).
Вольт-амперные характеристики (ВАХ) фотодиода представлена на рис. 6.8.
Пусть вначале световой поток равен нулю, тогда ВАХ фотодиода фактически повторяет ВАХ обычного диода. Если световой поток не равен нулю, то фотоны, проникая в область p-n–перехода, вызывают генерацию пар электрон-дырка. Под действием электрического поля p-n–перехода носители тока движутся к электродам (дырки – к электроду слоя p, электроны – к электроду слоя n). В результате между электродами возникает напряжение, которое возрастает при увеличении светового потока. При положительном напряжении анод-катод ток диода может быть отрицательным (четвертый квадрант характеристики). При этом прибор не потребляет, а вырабатывает энергию.
Рис. 6.8. Вольт-амперные характеристики фотодиода
На практике фотодиоды используют и в так называемом режиме фотогенератора (фотогальванический режим, вентильный режим), и в так называемом режиме фотопреобразователя (фотодиодный режим).
В режиме фотогенератора работают солнечные элементы, преобразующие свет в электроэнергию. В настоящее время коэффициент полезного действия солнечных элементов достигает 20 %. Пока энергия, полученная от солнечных элементов, примерно в 50 раз дороже энергии, получаемой из угля, нефти или урана.
Режим фотопреобразователя соответствует ВАХ в третьем квадранте. В этом режиме фотодиод потребляет энергию (u · i > 0) от некоторого обязательно имеющегося в цепи внешнего источника напряжения (рис. 6.9). Графический анализ этого режима выполняется при использовании линии нагрузки, как и для обычного диода. При этом характеристики обычно условно изображаются в первом квадранте (рис. 6.10).
Рис. 6.9 Рис. 6.10
Фотодиоды являются более быстродействующими приборами по сравнению с фоторезисторами. Они работают на частотах 107–1010 Гц. Фотодиод часто используют в оптопарах светодиод-фотодиод. В этом случае различные характеристики фотодиода соответствуют различным токам светодиода (который при этом создает различные световые потоки).
При воспроизведении фотографической фонограммы источником сигнала является фотодиод. Он может работать в фотогальваническом или в фотодиодном режиме. Схема включения фотодиода, работающего в фотогальваническом режиме, на вход транзисторного усилителя показана на рис. 45, а. В этом режиме фотодиод работает без источника питания. Под действием света в области n-типа разрушаются ковалентные связи, и освободившиеся электроны накапливаются в этой области, заряжая ее отрицательно, а дырки втягиваются в область р-типа, заряжая ее положительно. Таким образом, между анодом и катодом создается разность потенциалов - фото-ЭДС Е ф. При постоянном световом потоке в режиме покоя под действием этой ЭДС в цепи фотодиода протекает постоянный ток от области р к области п через резистор нагрузки R нф. При воспроизведении фонограммы световой поток пульсирует, поэтому пульсируют фото-ЭДС и ток в цепи фотодиода. Переменная составляющая напряжения на нагрузке R нф является напряжением входного сигнала, которое через конденсатор С с передается на базу транзистора. Переменная составляющая тока фотодиода разветвляется: часть проходит через резистор R нф а другая часть - через конденсатор С с и эмиттерный переход транзистора.
Работа фотодиода в фотогальваническом режиме используется в передвижной звуковоспроизводящей аппаратуре типа К3ВП-I0 и К3ВП-14.
При работе фотодиода в фотодиодном режиме (рис. 45, б) на него от источника питания подается постоянное напряжение, которое является обратным напряжением электронно-дырочного перехода. При отсутствии светового потока через фотодиод протекает очень малый ток – это темновой ток. Под действием света резко уменьшается обратное сопротивление р - n - переходаи возрастает ток через фотодиод.
При отсутствии сигнала световой поток остается постоянным и через фотодиод протекает постоянный ток. Он идет от плюса источника питания через сопротивление нагрузки, фотодиода R нф и фотодиод к минусу источника питания. В режиме воспроизведения записанного на фонограмме сигнала световой поток и ток фотодиода, как и в первом режиме, пульсируют, и переменная составляющая тока создает на нагрузке и на входе усилителя входной сигнал.Рис. 45 Схемы включения фотодиода: а - в фотогальваническом режиме;
б – в фотодиодном режиме
В фотодиодном режиме чувствительность фотодиода повышается по сравнению с фотогальваническим режимом, и вход ной сигнал увеличивается; внутреннее сопротивление фотодиода для переменного тока также увеличивается.
Работа фотодиода в фотодиодном режиме используется в стационарной транзисторной аппаратуре типа «Звук Т».
Фотодиоды, установленные в фотоячейках на кинопроекторах разных постов, могут иметь разброс параметров, и частности неодинаковую чувствительность, что приводит к неодинаковой отдаче постов. Чтобы при демонстрации кинофильма не изменялась громкость звука при переходе с поста на пост, в фото-ячейке предусматривается регулирование отдачи фотодиода. Схема регулирования (рис. 46) позволяет переменным резистором R уменьшить сигнал, поступающий отданного фотодиода на вход усилителя. В верхнем положении движка резистора R3 сопротивление цепочки R1, R3, С1, включенной параллельно фотодиоду, максимальное, поэтому входной сигнал наибольший. По мере перемещения движка вниз сопротивление R3 все больше закорачивается, общее сопротивление цепочки R1, R3, Сl уменьшается, возрастает ее шунтирующее действие, и сигнал на входеусилителя уменьшается. Такая схема включения фотодиода типа ФДК155 применена в звуковоспроизводящей аппаратуре типа «Звук T2-25,50».
Линия включения фотодиода на вход усилителя должна быть экранирована, как и для других источников сигнала.
Фотодиоды, используемые в аппаратуре киноустановок, имеют чувствительность порядка 4-6 мА/лм и дают ток входного сигнала 1-2 мкА.
Рис.46 Схема регулирования отдачи фотодиода
Вопросы для самопроверки:
1. Что называется входной цепью, и какие бывают виды схем входа?
2. Нарисовать и объяснить схемы включения звукоснимателя.
3. Нарисовать и объяснить схемы включения микрофона.
4.Почему надо экранировать входные цепи и применять симметричную схему трансформатора входа?
5.Почему звукосниматель включают на вход усилителя чаще всего через делитель напряжения, а для включения микрофона и магнитной головки в высококачественной аппаратуре применяют входной трансформатор?
6. Нарисовать и объяснить схемы включение фотодиода.
Статьи по теме
