Фотодиоды. Принцип работы, основные характеристики. Параметры фотодиодов

Принцип работы фотодиодов

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

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

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

Фототок

Основным выходом фотодиода является ток, протекающий через прибор от катода к аноду и приблизительно линейно пропорциональный освещенности (помните, однако, что на величину фототока также влияет длина волны падающего света — более об этом в следующей статье). Для дальнейшей обработки сигнала этот фототок преобразуется в напряжение с помощью последовательного резистора или преобразователя тока в напряжение на операционном усилителе.

Детали подключения света фотодиода и тока будут варьироваться в зависимости от условий смещения диода. В этом суть разницы между фотогальваническим и фотопроводящим режимами: в фотогальванической реализации схемы вокруг фотодиода поддерживают одинаковый потенциал анода и катода; другими словами, диод имеет нулевое смещение. В фотопроводящей реализации схема, окружающая фотодиод, создает обратное смещение, то есть катод находится под более высоким потенциалом, чем анод.

Схемы с фотодиодами, где используются и примеры сборок

Фотодиоды используются:

• для достаточно узкой специфической области — для волоконно-оптических систем передачи данных (ВОСП, ВОЛС). Эта область не часто встречается у электронщиков. Именно здесь свойства, которые мы кратко рассмотрели (ВАХ, чувствительность и т д.), особенно актуальны для расчета фотодиодных структур.
• солнечные панели. Такие изделия подключаются по обычной схеме согласно инструкции к данному изделию;
• оптопары, оптопары, реагирующие на сигнальные лампы, различные реле, автоматику, датчики, а также приемники ИК-излучения (пульты, аналогичные устройства управления).

Основы схем с фотодиодами

Схема переключения для каждого из двух режимов разная. Ниже приведен типовой чертеж подключения устройства в качестве преобразователя. Обратите внимание: подключается в направлении, противоположном источнику питания.

Как генератор. При попадании света на клеммах появляется напряжение, токи короткого замыкания в этом режиме равны десяткам ампер, что аналогично работе солнечных батарей, но здесь ток мал.

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

Схема простого фотодиодного реле

Крепление с фотоприемником 320 (очень популярная спецификация). Как еще одна такая деталь, ее можно проверить мультиметром, чтобы узнать, где находится анод/катод. При этом показания тестера отличаются, если диод затемнен.

Если фотодиод работает как датчик, реле, элемент дистанционного управления, а это большинство бытовых приборов, то он включается в обратную сторону: катод на «+», анод — на «-«. (соединение «фоторезистор»). При затенении сопротивляемость противоположного элемента очень высока, при большем облучении она снижается. Эта функция используется для управления оборудованием.

На рисунке выше простое реле:

• VD1 — фотодиод и R1 — переменный для него. Устойчивость к первым выцветаниям при уменьшении интенсивности света;
• VT1 — транзистор. Напряжение на базе растет, если он освещен, и он открывается в определенный момент периода подачи света, то же самое будет и с VT2;
• после вышеперечисленных процессов обмотка расцепителя К1 получит ток — узел переключится. Если поместить деталь в тень, напряжение на VT1 упадет, транзисторы закроются, контакты разомкнутся, реле отключится.

R1 — триммер, он настраивает чувствительность фотореле так, чтобы оно срабатывало только от фонарика. Такое реле можно использовать как простую систему дистанционного управления, а в качестве пульта будет выступать подсветка.

Компоненты схемы просты и доступны:

• фотоэлемент 320. Можно взять и другие модели: 263. Перед установкой проверьте, где находится анод/катод. Используйте процедуру мультиметра, аналогичную той, что используется для простых диодов. А еще не лишним будет проследить, чтобы диод реагировал на свет;
• транзисторы КТ3102 и 814;
• э/м реле WJ118-1C. Можно взять еще один, но рекомендуется обмотка от 200 Ом и на 10 — 15В.

Как работать с формой. После сборки переместите регулируемую ручку R1, чтобы установить максимальную опору. Поместите доску вдали от прямого света. Не меняйте полярность при монтаже. Подключитесь к питанию (также следуйте предыдущей рекомендации). Реле не должно щелкать. В этом случае поверните селектор R1, чтобы выключить его. Теперь можно поэкспериментировать с фонариком: подсветить и понаблюдать, как включается реле.

Схема дистанционного выключателя

Сверху находится переключатель, управляемый небольшим фонариком, лазером. Использовал 2 фотодиода: для вкл надо подать на VD2, чтобы выключить. — на ВД1. Чувствительность регулируется переменными R1 и 2. На микросхеме реле Д1 (К561ЛА7) установлен триггер RS на включение/выключение.

При маркировке VD2 он сопротивляется просадке и напряжению на входе. D1.2 вырастет до степени логической единицы. На выходе D1.2 появится 0, триггер на D1.3 — D1.4 перейдет в состояние при выходе. D1.4 было бы логично. Она же разблокирует VT1, на реле потечет ток. При отсутствии освещения триггер остается, триггер сработает.

Все работающие подобные фоторелейные устройства имеют схожий алгоритм. Для выключения нужно зажечь VD1: реакция триггера изменится на выход. D1.3 будет 0. Ключ VT1 будет отключен, реле будет отключено и останется таким, когда погаснет свет. Так вот: для работы нужно светить на VD2, чтобы выключить. — на ВД1. Расстояние между диодами 5 см, этого достаточно для управления лазерной указкой.

Регулировка заключается только в установке чувствительности фотоэлементов подстроечными резисторами R1 и 2. Такой переключатель необходимо разместить так, чтобы не было значительных перепадов интенсивности излучения, прямых лучей на линзы. Фонарики эффективны с 2-3 м. Для лазерных указок ночью при настройке максимальной чувствительности — 20-30 м, днем ​​этот показатель будет ниже, так как установлена ​​меньшая чувствительность

В этом примере реле и диоды такие же, как на рисунке из предыдущего раздела. Микроконтроллеры: К561ЛА7 или 1561ЛА7, 176ЛА7. Выводы КТ815 размещены как у КТ814.

Еще чертежи фотореле

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

В сборке ниже можно использовать фотодиод вместо фоторезистора:

Простое фотореле для включения света, когда стемнеет:

Робот, убегающий от света

Робот из корпуса компьютерной мышки, оставляющий затененные места:

Робот управляется фонариком:

Электронная мышеловка на фотодиодах

Предметы:

• какой-нибудь ИК-фотодиод;
• электромагнит. Можно взять из бывших в употреблении бытовых приборов или сделать змеевик самостоятельно (инструкций в интернете много);
• КТ 3107 (транзистор) обеспечивает чувствительность к гальваническому диоду;
• Ставим КТ818, т.к электромагнит достаточно мощная нагрузка (для нашей ситуации полампера много);
• сопротивление. Без него схема будет реагировать даже на одиночный свет.

Процесс изготовления: монтируем корпус, диоды (фото и свет) друг напротив друга, дальше от входа (будет срабатывать при пересечении светового потока), чтобы между ними могла пройти мышь. Над входом магнит с решетчатой ​​дверью. В схеме также имеется источник питания — «корона» на 9 В. Используется стандартный принцип: светодиод подает излучение на фотодиод, который воспринимает свет и подает сигнал на электромагнит, закрывающий вход в мышеловку.

Схемы с фотодиодами на Arduino

Также существует множество сборок различных реле, ИК-приемников на базе микроконтроллера Arduino.

ИК-приемник:

Простые панели управления:

Схема фотодиода

Темновой ток

Самый важный недостаток, влияющий на фотодиодные системы, называется темновым током, потому что это ток, протекающий через фотодиод даже в отсутствие освещения. Полный ток, протекающий через диод, представляет собой сумму темнового тока и фототока. Темновой ток ограничивает способность системы точно измерять низкую интенсивность света, если эта интенсивность создает фототоки, аналогичные величине темнового тока.

Вредное воздействие темнового тока можно уменьшить с помощью методов, которые вычитают ожидаемый темновой ток из тока диода. Однако темновой ток сопровождается темновым шумом, т е разновидностью выстрелов, наблюдаемой как случайные изменения величины темнового тока. Система не может измерить интенсивность света, фототок которого настолько мал, что он теряется в этом темном шуме.

Проверка фотодиода мультиметром

Рассмотрим, как проверить фотоприемники мультиметром. Тестер измеряет значения сопротивления (обратного и прямого) в процессе включения/диммирования диода. Мультиметр (или омметр) переводится на отметку 200 кОм.

Иногда наблюдается характерный дефект — хаотичное изменение тока («ползучесть»). Для обнаружения проблемы собирается простая схема (см рисунок ниже) и в течение нескольких минут измеряется обратный ток. Если ток постоянный, деталь исправна. Проверить запчасть на плате можно, но возможны ошибки, поэтому всегда рекомендуется пайка.

Квантовая эффективность

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

Скорость ответа

Скорость отклика детектора ограничена временем прохождения, то есть временем, которое требуется свободным зарядам, чтобы пересечь ширину внутреннего слоя. Это функция обратного смещения и физической ширины. Для фиксированных pin-диодов оно варьируется от 1,5 до 10 нс. Емкость также влияет на отклик устройства, при этом емкость перехода образует изолирующий внутренний слой между электродами, образованными p- и n-областями. Быстродействующие фотодиоды могут иметь время отклика до 10 пикосекунд при емкости в несколько пикофарад с очень малой площадью поверхности.

Вольтамперная характеристика

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

Динамический диапазон

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

Фотодиод на схеме.

Режимы работы

Фотодиоды делятся по режиму работы.

Режим фотогенератора

Выполняется без источника питания. Фотогенераторы, входящие в состав солнечных панелей, иначе называются «солнечными батареями». Их функция заключается в преобразовании солнечной энергии в электрическую энергию. Самые распространенные фотогенераторы на основе кремния — дешевые, распространенные, хорошо изученные. У них невысокая стоимость, но КПД достигает всего 20%. Элементы фильма более прогрессивны.

Режим фотопреобразования

Источник питания подключается к цепи с обратной полярностью, фотодиод в данном случае выполняет роль датчика освещенности.

Светодиоды

Основной функцией этих полупроводниковых радиодеталей является генерация светового излучения при прохождении электрического тока в прямом направлении. При подаче прямого смещения, как в обычном диоде, начинаются процессы рекомбинации электронов и дырок. Отличие в том, что в светодиодах этот процесс сопровождается генерацией фотонов, составляющих свет.

Чтобы полупроводник приобрел способность генерировать фотоны, его особым образом легируют. В результате материал насыщается носителями заряда, возбуждающими электромагнитные колебания в видимом спектре, воспринимаемые органами зрения как свечение.

Преимуществом светодиодов является когерентность излучения. Это означает, что элемент генерирует электромагнитные колебания только с одной длиной волны. Это означает, что светодиод генерирует свет только одного цвета из тех, которые вместе составляют белый. В практической радиоэлектронике чаще всего используются следующие светодиоды:

1. красный;
2. желтый;
3. апельсин;
4. зеленый.

В последнее время в осветительных приборах используются многокомпонентные продукты, которые генерируют все цвета и смешивают их в особенно плотный белый свет. Эти источники света по яркости аналогичны лампам накаливания и люминесцентным лампам, но потребляют гораздо меньше электроэнергии.

Отдельным видом светодиодов являются радиодетали, излучающие инфракрасное излучение. Они используются в дистанционном управлении электроникой, системах контроля доступа, охранной сигнализации и других подобных системах. И хотя эти элементы генерируют невидимые электромагнитные волны, они используют одни и те же физические принципы и выполнены по одной и той же конструкции, поэтому относятся к классу светодиодов.

Читайте также: Формула расчета частоты

Типы светодиодов

На сегодняшний день существует два подхода к классификации светодиодов. Во-первых, радиодетали различаются по назначению. В зависимости от этого они могут быть блестящими и индикаторными. Первый используется в волоконно-оптических линиях связи в составе оптических пар. Последний используется в устройствах отображения. Светодиоды, кстати, относятся ко второму типу.

Во-вторых, светодиоды различаются технологиями генерации фотонов, и по этому признаку они делятся на инжекционные и люминофорные. В первом случае свет создается непосредственно полупроводником при прохождении электрического тока. Люминофорные светодиоды используют принцип вторичной генерации. Эти элементы обеспечивают более плотный световой поток. Упомянутые выше излучающие светодиоды чаще всего являются люминофорами.

Световая характеристика и чувствительность фотодиода.

Рассмотрим связь между током короткого замыкания If и величиной светового потока, падающего на n-область фотодиода. Число квантов света, попадающих в единицу времени h на всю поверхность n-области фотодиода, равно /hv,

где hv — энергия одного кванта. Величина If пропорциональна количеству квантов света, поглощаемых полупроводником в единицу времени

Если= ,

(6)

Где β — квантовый выход фотоионизации (количество электронно-дырочных пар, образованных одним квантом света);

χ — коэффициент переноса, показывающий, какая часть носителей, генерируемых светом, не рекомбинировала на пути к р-п-переходу.

Зависимость фотоионизационного фототока фотодиода от светового потока и в режиме фотодиода строго линейна в широком диапазоне значений светового потока.

Чувствительность фотодиода — это отношение между фототоком и величиной светового тока

В действительности K в коротковолновом диапазоне убывает гораздо быстрее, чем дает формула (8). Это связано с тем, что по мере уменьшения длины волны в области основного поглощения коэффициент поглощения обычно увеличивается, в результате чего световая энергия полностью поглощается в более тонких поверхностных слоях, где скорость рекомбинации неравновесных носителей за счет поверхностных центров рекомбинации значительно выше выше, чем в толще материала.

Однако в области длинных волн светочувствительность уменьшается, что соответствует краю собственного поглощения материала, когда энергия кванта h становится равной ширине запрещенной зоны ∆Е.

Чувствительность фотодиодов к свету сложного спектрального состава называется интегральной чувствительностью.

Экспериментальная часть

Описание установки

Исследование свойств полупроводникового фотодиода проводится на установке, состоящей из оптической скамьи, где фотодиод помещен в непрозрачный корпус, и осветителя. Изменение освещенности осуществляется изменением расстояния между фотодиодом и источником света (при этом необходимо снять крышку непрозрачного корпуса).

Порядок работы

Подготовка:

1) записать и построить ВАХ фотодиода в фотодиодном режиме при 4 различных световых токах Ф и при Ф = 0 (табл. 1);

2) снять и построить световую характеристику фотодиода: I=ƒ, в режиме фотодиода при 3 различных напряжениях на фотодиоде, в том числе при напряжении, равном 0, и постоянном сопротивлении нагрузки (таблица 2);

3) Рассчитать интегральную чувствительность фотодиода по п.1. 1 и 2 (значение постоянной С указано на стойке).

Таблица 1

см	Φ	У, Б
Я, уА

Таблица 2

Варианты, типы фотодетекторов

Инфракрасный фотодиод выполнен в черном корпусе и реагирует только на ИК-излучение. Темный цвет линзы — это своеобразная окраска фильтра, чтобы не влиять на другие спектры.

Фотоприемники имеют частотный диапазон, здесь он на порядки больше, до 10 МГц (намного выше, чем у фоторезисторов), что обеспечивает отличные рабочие характеристики. Для штыревых вариантов и с барьером Шоттки этот показатель составляет 100 МГц–1 ГГц, для лавинных вариантов – 1–10 ГГц.

Типы фотодиодов по принципу работы, по вариантам комбинирования, размещению слоев, материалам мы рассмотрим ниже.

Фотодиод p-i-n

Штыревые элементы широко используются для волоконно-оптических систем связи — они преобразуют свет в электрические сигналы, которые затем преобразуются в информацию (видео, аудио и т.д.)

Промежуточные слои p и n сделаны с использованием легирования: примесей, которые усиливают добавленный полупроводниковый материал. Если в обозначении такой детали есть +, это говорит о повышенном содержании присадок.

Средний сегмент — часть «i» — это проводник «n», но слегка легированный. Если к нему приложить обратное напряжение, то там образуется обедненный участок (меньше дырок/электронов).

Сопротивление на i-м отрезке растет, намного больше, чем на p+ и n+. Результат этого процесса: электрическое поле концентрируется в i-области, поглощенный там фотон создает пару: электрон/дырка. Сильное поле в i-м сечении сразу распределяет их по электродам: катод поглощает дырку, анод поглощает электрон. Так создается электричество.

КПД штыревых фотодиодов чрезвычайно высок, так как их частота может достигать 1010 Гц, что гарантирует передачу терабайт данных за 1 секунду. В таких участках i-отрезок значительно шире, чем p+ и n+, чтобы фотоны осваивались точнее в этом отрезке.

Лавинные

В волоконно-оптических технологиях помимо штыревых типов рассматриваемых деталей используются специальные типы — лавинные фотоприемники (ЛФД), их отличием является дополнительное p-сечение.

За счет армирующих добавок p-слой имеет более высокое сопротивление, соответственно наибольшее падение напряжения на нем. Фотон, находящийся в светочувствительном i-м сегменте, вырывает оттуда электрон, устремляется к аноду, к катоду идет дырка.

Электрон на своем пути находится в месте высокого напряжения р-слоя, затем сильно ускоряется, что позволяет выбивать другие подобные частицы из оболочек атомов в р-секциях. Затем то же самое делают новообразованные свободные электроны — выбивают из валентных сегментов свои лишние аналоги. Явление нарастает лавинообразно.

Изображение визуализирует резкое увеличение движущей электрической силы на р-слое. Первичный ток, возникший в i-м слое, лавинообразно нарастает в p-сечении. Увеличение достигает нескольких сотен раз, но если оно слишком велико, то создается шум, нарастающий быстрее, чем пульс. Оптимальное значение коэффициента 30–100.

С барьером Шоттки

В этом типе элемента делается несколько пленок, т.е особая структура, позволяющая избежать инжекции неосновных носителей. Такие детали используют только движение основных конвейеров. Преимущество в том, что отсутствуют медленные процессы, подпадающие под влияние явлений накопления, резорбции вторичных носителей на основе диода. Плюсы: медлительность, время зарядки ничтожно мало, первое только за счет времени транспортировки транспортеров через космические зарядные площадки.

Вышеуказанные возможности позволяют использовать оптоды для СВЧ-модуляции излучения.

Гетероструктурные

Они собраны из 2-х полупроводников с разным размером запрещенного участка, участок между ними называется неоднородным. Специальный подбор материалов создает блок, который покрывает (воспринимает) волны по всей длине. Недостатком такого продукта является стоимость производства.

Исчерпывающая информация о фотодиодах

Фотодиоды — полупроводниковые элементы, чувствительные к свету. Их основная функция — преобразование светового тока в электрический сигнал. Такие полупроводники используются в составе различных устройств, работа которых основана на использовании световых токов.

Принцип работы фотодиодов

В основе действия фотодиодных элементов лежит внутренний фотоэффект. Он заключается в появлении в полупроводнике под действием светового тока неравновесных электронов и дырок (т е атомов с пространством для электронов), образующих фотоэлектродвижущую силу.

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

Классификация

контактный фотодиод

Основная статья: пин-диод

В штыревой структуре средняя i-область заключена между двумя областями противоположной проводимости. При достаточно высоком напряжении он пронизывает i-область, а свободные носители, возникшие за счет фотонов при облучении, ускоряются электрическим полем p-n-перехода. Это дает выигрыш в скорости и чувствительности. Увеличение скорости в палочном фотодиоде связано с заменой процесса диффузии дрейфом электрических зарядов в сильном электрическом поле. Уже при Uобр ≈ 0,1 В преимущество в быстродействии имеет штыревой фотодиод.

Достоинства: 1) можно обеспечить чувствительность в длинноволновой части спектра изменением ширины i-области 2) высокая чувствительность и быстродействие 3) низкое рабочее напряжение Uраб Недостатки: сложность достижения высокой чистоты i-регион

• Фотодиод Шоттки (фотодиод с барьером Шоттки) Структура металл-полупроводник. Как только структура сформирована, часть электронов перейдет из металла в полупроводник р-типа.
• Лавинный фотодиод

Основная статья: Лавинный фотодиод

• В конструкции используется лавина. Это происходит, когда энергия фотоносителей превышает энергию образования электронно-дырочной пары. Очень чувствительный. Для оценки существует лавинный коэффициент умножения: displaystyle M = { frac {1} {1-left ({ frac {U} {U_ {pr}}} right) ^ {m}}}} Чтобы реализовать лавинное умножение, необходимо выполнить два условия: 1) Электрическое поле пространственного заряда площади должно быть достаточно большим, чтобы электрон мог получить энергию на длине свободного пробега, превышающей ширину запрещенной зоны: qλ = 3Ig2 { displaystyle q lambda = { frac {3I_ {g}} { 2}}}2) Ширина области пространственного заряда должна быть значительно больше, чем длина свободного пробега.
• Фотодиод с гетероструктурой. Гетеропереход представляет собой слой, возникающий на границе раздела двух полупроводников с различной шириной запрещенной зоны. Один p+-слой играет роль «окна приема». Налоги генерируются в центральной части. Выбирая полупроводники с различной шириной запрещенной зоны, можно охватить весь диапазон длин волн. Недостатком является сложность производства.

Ультрафиолетовые детекторы

Хотя кремний в первую очередь чувствителен к длинам волн видимого диапазона, кремниевый фотодиод можно оптимизировать для улучшения отклика и в ультрафиолетовом диапазоне. Эти устройства называются ультрафиолетовыми кремниевыми фотодиодами.

Вы, вероятно, знакомы с карбидом кремния (SiC). Это все более популярный полупроводниковый материал, в первую очередь связанный с мощными полевыми МОП-транзисторами, но оказывается, что диоды SiC отлично подходят для использования в качестве УФ-детекторов.

Фотодиоды из карбида кремния — это надежные устройства, которые по своей природе чувствительны только к ультрафиолетовому излучению в диапазоне от 200 до 400 нм.

Рисунок 2 – Нормированный спектральный отклик карбидокремниевого фотодиода производства Electro Optical Components

Этот ограниченный спектральный отклик означает, что фотодиоды SiC не требуют оптической фильтрации в системах, которые должны предотвращать влияние видимого или инфракрасного света на измерения ультрафиолетового излучения.

Если вам просто нужно увеличить чувствительность к ультрафиолетовому излучению, кремниевые ультрафиолетовые фотодиоды — это то, что вам нужно. Они сохраняют свою чувствительность в видимом диапазоне; на самом деле их чувствительность к видимому свету намного выше, чем к инфракрасному излучению.

Математическая зависимость между силой падающего света и генерируемым фототоком называется чувствительностью. Пиковая чувствительность SiC-фотодиодов довольно низка по сравнению с пиковой чувствительностью кремниевых фотодиодов, но пиковая чувствительность кремния не имеет значения для УФ-приложений, поскольку она происходит далеко от УФ-длин волн. Чувствительность SiC аналогична кремнию, если говорить только об диапазоне 200–400 нм в спектре.

Характеристики фотодиодов для выбора

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

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

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

Чувствительность можно измерять по разным световым параметрам:

Световые или энергетические характеристики. Пояснение на рисунке ниже:

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

Нижний предел чувствительности. Минимальная интенсивность света для реакции фотодиода.

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

Инерция:

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

Описание

Блок-схема фотодиода. 1 — полупроводниковый кристалл; 2 — контакты; 3 — выводы; Ф — поток электромагнитного излучения; Э — источник постоянного тока; РН — нагрузка.

Принцип работы:

При воздействии квантов излучения в базе образуются свободные носители, которые устремляются к границе p-n перехода. Базовая ширина (n-область) рассчитана таким образом, что дырки не успевают рекомбинировать до того, как они переместятся в p-область. Ток фотодиода определяется током неосновных носителей — рабочим током. Быстродействие фотодиода определяется скоростью разделения носителей полем p-n перехода и емкостью p-n-перехода Cp-n

Фотодиод может работать в двух режимах:

• солнечный элемент — без внешнего напряжения
• фотодиод — с внешним обратным напряжением

Характеристики:

• простота в технологии производства и конструкции
• сочетание высокой светочувствительности и скорости
• низкое базовое сопротивление
• небольшая инерция

Основные параметры

Характеристики фотодиодов определяют следующие свойства:

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

Спектральная характеристика

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

Из чего состоит фотодиод?

Разница между PIN-кодом и лавинным фотодиодом | Лавинный фотодиод против фотодиода с PIN-кодом

Лавинный фотодиод	опции	PIN фотодиод
Четыре слоя — P+, I, P, N +	Слой	Три слоя — P+, I, N +
Очень высокий	Время реакции	Очень меньше
Низкий ток	Выходной ток	Умножение несущей волны вызывает усиление значения тока
Рост может достигать 200	Внутреннее армирование	Рост незначительный
Очень чувствительный	чувствительность	Чуть менее чувствительный
Усилители могут улучшить производительность, но APD может работать и без них, так как усилитель уже есть.	Усилитель	Внутреннего усиления нет, поэтому использование усилителей обязательно.
Выше из-за умножения заряда	Шум	Относительно меньше, чем APD
Экстремально высокий	Обратное смещение	Открытка
Большой	Температурная стабильность	Не совсем

Нежелательные и желаемые эффекты фотодиода

Любой p-n-переход, если он освещен, потенциально является фотодиодом. Полупроводниковые устройства, такие как диоды, транзисторы и ИС, содержат p-n-переходы и не будут работать должным образом, если их освещать нежелательным электромагнитным излучением (светом) с длиной волны, подходящей для создания фототока. Этого можно избежать, заключив устройства в непрозрачные корпуса.

Если эти корпуса не полностью непрозрачны для высокоэнергетического излучения (УФ, рентгеновские лучи, гамма-лучи), диоды, транзисторы и интегральные схемы могут работать неправильно из-за индуцированных фототоков. Фоновое излучение от упаковки также имеет большое значение, радиационное отверждение снижает эти эффекты.

В некоторых случаях эффект действительно необходим, например, для использования светодиодов в качестве светочувствительных устройств (см светодиод как датчик света) или даже для сбора энергии, иногда называемых светодиодами и светопоглощающими диодами (светодиодами).

Разновидности фотодиодов

P-i-n

Для этих полупроводников характерно наличие в p-n переходной зоне участка с собственной проводимостью и значительной величиной сопротивления. Когда на эту область попадает световой ток, появляются пары дырок и электронов. Электрическое поле в этой области постоянно, объемного заряда нет. Такой вспомогательный слой расширяет диапазон рабочих частот полупроводника. По функциональному назначению штыревые фотодиоды делятся на детекторные, смесительные, параметрические, ограничительные, умножительные, подстроечные и другие.

Лавинные

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

С барьером Шоттки

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

С гетероструктурой

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

Области применения фотодиодов

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

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

Устройство и принцип действия

Фотодиоды входят в состав многих электронных устройств. Поэтому они и приобрели 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.

Под действием светового потока на плоскости перехода происходит поглощение фотонов с энергией, превышающей пороговое значение; поэтому в n-области образуются пары носителей заряда — фотоносители.

При смешении фотоносителей в глубине области «n» основная масса носителей не успевает рекомбинировать и перемещаться к p-n-границе. При переходе фотоносители разделяются электрическим полем. В этом случае дырки попадают в «р»-область, а электроны не могут пройти через переход, поэтому они скапливаются вблизи границы р-п-перехода, а также «n»-области».

Обратный ток диода увеличивается, когда он подвергается воздействию света. Величина, на которую увеличивается обратный ток, называется фототоком.