Что такое фотодиод. Вопросы для самопроверки. p – i – n фотодиод
Назначение: фотодио́д - приёмник оптического излучения, который преобразует попавший на его фоточувствительную область свет в электрический заряд.
Принцип действия: Простейший фотодиод представляет собой обычный полупроводниковый диод, в котором обеспечивается возможность воздействия оптического излучения на р–n-переход. При воздействии излучения в направлении, перпендикулярном плоскости p-n-перехода, в результате поглощения фотонов с энергией, большей, чем ширина запрещенной зоны, в n-области возникают электронно-дырочные пары. Эти электроны и дырки называют фотоносителями . При диффузии фотоносителей в глубь n-области основная доля электронов и дырок не успевает рекомбинировать и доходит до границы p–n-перехода. Здесь фотоносители разделяются электрическим полем p–n-перехода, причем дырки переходят в p-область, а электроны не могут преодолеть поле перехода и скапливаются у границы p–n-перехода и n-области. Таким образом, ток через p–n-переход обусловлен дрейфом неосновных носителей – дырок. Дрейфовый ток фотоносителей называется фототоком .
Фотодиоды могут работать в одном из двух режимов – без внешнего источника электрической энергии (режим фотогенератора) либо с внешним источником электрической энергии (режим фотопреобразователя).
Устройство:
cтруктурная
схема фотодиода. 1 - кристалл полупроводника;
2 - контакты; 3 - выводы; Ф - поток
электромагнитного излучения;
Е - источник
постоянного тока; Rн - нагрузка.
Параметры: чувствительность (отражает изменение электрического состояния на выходе фотодиода при подаче на вход единичного оптического сигнала.); шумы (помимо полезного сигнала на выходе фотодиода появляется хаотический сигнал со случайной амплитудой и спектром - шум фотодиода)
Характеристики:а) вольт-амперная характеристика фотодиода представляет собой зависимость выходного напряжения от входного тока. б) световая характеристика зависимость фототока от освещенности, соответствует прямой пропорциональности фототока от освещенности. в) спектральная характеристика фотодиода – это зависимость фототока от длины волны падающего света на фотодиод.
Применение: а) оптоэлектронные интегральные микросхемы.
б) многоэлементные фотоприемники. в) оптроны.
9. Светодиоды. Назначение, устройство, принцип действия, основные параметры и характеристики.
Назначение: Светодиод - это полупроводниковый прибор, который излучает свет при пропускании через него тока в прямом направлении.
Принцип действия: Работа основана на физическом явлении возникновения светового излучения при прохождении электрического тока через p-n-переход. Цвет свечения (длина волны максимума спектра излучения) определяется типом используемых полупроводниковых материалов, образующих p-n-переход.
Светодиод является полупроводниковым излучающим прибором с одним или несколькими n-р переходами, преобразующий электрическую энергию в энергию некогерентного светового излучения. Излучение возникает в результате рекомбинации инжектированных носителей в одной из областей, прилегающих к n-р переходу. Рекомбинация происходит при переходе носителей с верхних уровней на нижние.
Характеристики и параметры: основным параметром светодиодов является внутренняя квантовая эффективность (отношение числа фотонов к количеству инжектированных в базу носителей) и внешняя эффективность (отношение потока фотонов из светодиода к потоку носителей заряда в нем). Внешняя эффективность в значительной мере определяется технологией и с ростом ее уровня может быть значительно увеличена.
Основные характеристики светодиодов - вольт-амперные, яркостные и спектральные. Основными параметрами светоизлучающих диодов являются длина волны, полуширина спектра излучения, мощность излучения, рабочая частота и диаграмма направленности излучения.
Светодиоды находят широкое применение в цифровых индикаторах, световых табло, устройствах опто электроники. Принципиально возможно формирование на их основе экрана цветного телевидения.
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 «Е ф ». 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 / м 2 .
При функционировании фотодиода в качестве фотопреобразователя , источник напряжения Е подключается в схему обратной полярностью. При этом применяются обратные графики вольт-амперной характеристики при разных освещенностях.
Напряжение и ток на нагрузке R н определяются на графике по пересечениям характеристики фотодиода и нагрузочной линии, которая соответствует резистору R н. 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 10 10 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.
ХАРАКТЕРИСТИКИ ФОТОДИОДА
Основными характеристиками фотодиода являются: ВАХ, световая и спектральная.
Вольт-амперная характеристика . В общем случае (при любой полярности U) ток фотодиода описывается выражением (1). Это выражение представляет собой зависимость тока фотодиода I ф от напряжения на фотодиоде U при разных значениях потока излучения Ф, т.е. является уравнением семейства вольт-амперных характеристик фотодиода. Графики вольт-амперных характеристик приведены на рис. 1.7.
Рис. 1.7 ВАХ фотодиода.
Семейство вольт-амперных характеристик фотодиода расположено в квадрантах I, III и IV. Квадрант I – это нерабочая область для фотодиода: в этом квадранте к p-n переходу прикладывается прямое напряжение и диффузионная составляющая тока полностью подавляет фототок (I p - n >> I ф). Фотоуправление через диод становится невозможным.
Квадрант III – это фотодиодная область работы фотодиода. К p-n переходу прикладывается обратное напряжение. Следует подчеркнуть, что в рабочем диапазоне обратных напряжений фототок практически не зависит от обратного напряжения и сопротивления нагрузки. Вольт-амперная характеристика нагрузочного резистора R представляет собой прямую линию, уравнение которой имеет вид:
E обр - I ф · R = U,
где U обр – напряжение источника обратного напряжения; U – обратное напряжение на фотодиоде; I ф – фототок (ток нагрузки).
Фотодиод и нагрузочный фоторезистор соединены последовательно, т.е. через них протекает один и тот же ток I ф. Этот ток I ф можно определить по точке пересечения вольт-амперных характеристик фотодиода и нагрузочного резистора (рис 1.7 квадрант III) Таким образом, в фотодиодном режиме при заданном потоке излучения фотодиод является источником тока I ф по отношению к внешней цепи. Значение тока I ф от параметров внешней цепи (U обр, R) практически не зависит (Рис 1.7.).
Квадрант IV семейства вольт-амперных характеристик фотодиода соответствует фотогальваническому режиму работы фотодиода. Точки пересечения вольт-амперных характеристик с осью напряжения соответствуют значениям фото-ЭДС E ф или напряжениям холостого хода U хх (R н = ∞) при разных потоках Ф. У кремниевых фотодиодов фото-ЭДС 0,5-0,55 В. Точки пересечения вольт-амперных характеристик с осью токов соответствуют значениям токов короткого замыкания I кз (R н = 0). Промежуточные значения сопротивления нагрузки определяются линиями нагрузки, которые для разных значений R н выходят из начала координат под разным углом. При заданном значении тока по вольт-амперным характеристикам фотодиода можно выбрать оптимальный режим работы фотодиода в фотогальваническом режиме (Рис. 1.8). Под оптимальным режимом в данном случае понимают выбор такого сопротивления нагрузки, при котором в R н будет передаваться наибольшая электрическая мощность.
Рис.1.8. ВАХ фотодиода в фотогальваническом режиме.
Отимальному режиму соответствует для потока Ф1 линия нагрузки R 1 (площадь заштрихованногопрямоугольника с вершиной в точке А, где пересекаются линии Ф 1 и R 1 , будет наибольшей – рис.1.8). Для кремниевых фотодиодов при оптимальной нагрузке напряжение на фотодиоде U=0,35-0,4 В.
Световые (энергетические) характеристики фотодиода – это зависимость тока от светового потока I = f(Ф):
Рис. 1.9. Световая характеристика ФД.
В фотодиодном режиме энергетическая характеристика в рабочем диапазоне потоков излучений линейна.
Это говорит о том, что практически все фотоносители доходят до p-n перехода и принимают участие в образовании фототока, потери неосновных носителей на рекомбинацию не зависят от потока излучения.
В фотогальваническом режиме энергетические характеристики представляются зависимостями либо тока короткого замыкания I кз, либо фото-ЭДС E ф от потока излучения Ф. При больших потоках Ф закон изменения этих зависимостей существенно отклоняется от линейного (рис. 1.10).
|
Рис.1.10.Световые характеристики ФД
Для функции I кз = f(Ф) появление нелинейности связанно с ростом падения напряжения на объемном сопротивлении базы полупроводника. Снижение фото-ЭДС объясняется уменьшением высоты потенциального барьера при накоплении избыточного заряда электронов в n-области и дырок p-области.
Диодный режим имеет по сравнению с генераторным следующие преимущества:
· выходной ток в фотодиодном режиме не зависит от сопротивления нагрузки, в генераторном режиме максимальный входной ток может быть получен только при коротком замыкании в нагрузке.
· фотодиодный режим характеризуется высокой чувствительностью, большим динамическим диапазоном преобразования оптического излучения, высоким быстродействием (барьерная емкость p-n перехода уменьшается).
Недостатком фотодиодного режима работы является зависимость темнового тока (обратного тока p-n перехода) от температуры.
Основными параметрами являются:
· темновой ток I т.
· рабочее напряжение U раб – напряжение, прикладываемое к диоду в фотопреобразовательном режиме.
· Интегральная чувствительность K ф.
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).
Принцип действия фотодиода
Полупроводниковый фотодиод - это полупроводниковый диод обратный ток которого зависит от освещенности.
Обычно в качестве фотодиода используют полупроводниковые диоды с р-п переходом, который смещен в обратном направлении внешним источником питания. При поглощении квантов света в р-n переходе или в прилегающих к нему областях образуются новые носители заряда. Неосновные носители заряда, возникшие в областях, прилегающих к р-п переходу на расстоянии, не превь,’ ,ающем диффузионной длины, диффундируют в р-п переход и проходя* через него под действием электрического поля. То есть обратный ток при освещении возрастает. Поглощение квантов непосредственно в р-п переходе приводит к аналогичным результатам. Величина, на которую возрастает обратный ток, называется фототоком.
Характеристики фотодиодов
Свойства фотодиода можно охарактеризовать следующими характеристиками:
Вольт-амперная характеристика фотодиода представляет собой зависимость светового тока при неизменном световом потоке и темнового тока 1 т от напряжения.
Световая характеристика фотодиода обусловлена зависимостью фототока от освещенности. При увеличении освещенности фототок возрастает.
Спектральная характеристика фотодиода - это зависимость фототока от длины волны падающего света на фотодиод. Она определяется для больших длин волн шириной запрещенной зоны, а 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.
Постоянная времени - это время, в течение которого фото- ток фотодиода изменяется после освещения или после затемнения фотодиода в е раз (63%) по отношению к установившемуся значению.
Темновое сопротивление - сопротивление фотодиода в отсутствие освещения.
Интегральная чувствительность определяется формулой:
где 1 ф - фототок, Ф - освещенность.
Инерционность
Существует три физических фактора, влияющих на инерционность:
1. Время диффузии или дрейфа неравновесных носителей через базу т;
2. Время пролета через р-n переход т,;
3. Время перезарядки барьерной емкости р-п перехода, характеризующееся постоянной времени RC 6 ap .
Толщина р-п перехода, зависящая от обратного напряжения и концентрации примесей в базе, обычно меньше 5 мкм, а значит, т, - 0,1 не. RC 6 ap определяется барьерной емкостью р-п перехода, зависящей от напряжения и сопротивления базы фотодиода при малом сопротивлении нагрузки во внешней цепи. Величина RC 6 ap обычно составляет нескольких наносекунд.
Расчет КПД фотодиода и мощности
КПД вычисляется по формуле:
где Р осв - мощность освещенности; I - сила тока;
U - напряжение на фотодиоде.
Расчет мощности фотодиода иллюстрирует рис. 2.12 и таблица 2.1.
Рис. 2.12. Зависимость мощности фотодиода от напряжения и силы тока
Максимальная мощность фотодиода соответствует максимальной площади данного прямоугольника.
Таблица 2.1. Зависимость мощности от КПД
|
Мощность освещенности, мВт |
Сила тока, мА |
Напряжение, В |
КПД, % |
Применение фотодиода в олтоэлектронике
Фотодиод является составным элементом во многих сложных оптоэлектронных устройствах:
Оптоэлектронные интегральные микросхемы.
Фотодиод может обладать большим быстродействием, но его коэффициент усиления фототока не превышает единицы. Благодаря наличию оптической связи оптоэлектронные интегральные микросхемы обладают рядом существенных достоинств, а именно: почти идеальная гальваническая развязка управляющих цепей от силовых при сохранении между ними сильной функциональной связи.
Многоэлементные фотоприемники.
Эти приборы (сканистор, фотодиодная матрица с управлением на МОП-транзисторе, фоточувствительные приборы с зарядовой связью и другие) относятся к числу наиболее быстро развивающихся и прогрессирующих изделий электронной техники. Оптоэлектрический «глаз» на основе фотодиода способен реагировать не только на яркостно-временные, но и на пространственные характеристики объекта, то есть воспринимать его полный зрительный образ.
Число фоточувствительных ячеек в приборе является достаточно большим, поэтому кроме всех проблем дискретного фотоприемника (чувствительность, быстродействие, спектральная область) приходится решать и проблему считывания информации. Все многоэлементные фотоприемники представляют собой сканирующие системы, то есть устройства, позволяющие производить анализ исследуемого пространства путем последовательного его просмотра (поэлементного разложения).
Как происходит восприятие образов?
Распределение яркости объекта наблюдения превращается в оптическое изображение и фокусируется на фоточувствительную поверхность. Здесь световая энергия переходит в электрическую, причем отклик каждого элемента (ток, заряд, напряжение) пропорционален его освещенности. Яркостная картина преобразуется в электрический рельеф. Схема сканирования производит периодический последовательный опрос каждого элемента и считывание содержащейся в нем информации. Тогда на выходе устройства мы получаем последовательность видеоимпульсов, в которой закодирован воспринимаемый образ.
При создании многоэлементных фотоприемников стремятся обеспечить наилучшее выполнение ими функций преобразования и сканирования. Оптроны.
Оптроном называется такой оптоэлектронный прибор, в котором имеются источник и приемник излучения с тем или иным видом оптической связи между ними, конструктивно объединенные и помещенные в один корпус. Между управляющей цепью (ток в которой мал, порядка нескольких мА), куда включен излучатель, и исполнительной, в которой работает фотоприемник, отсутствует электрическая (гальваническая) связь, а управляющая информация передается посредством светового излучения.
Это свойство оптоэлектронной пары (а в некоторых видах оптронов присутствует по несколько не связанных друг с другом даже оптически оптопар) оказалось незаменимым в тех электронных узлах, где нужно максимально устранить влияние выходных электрических цепей на входные. У всех дискретных элементов (транзисторов, тиристоров, микросхем, являющихся коммутационными сборками, или микросхем с выходом, позволяющим коммутировать нагрузку большой мощности) управляющие и исполнительные цепи электрически связаны друг с другом. Это часто недопустимо, если коммутируется высоковольтная нагрузка. К тому же, возникающая обратная связь неминуемо приводит к появлению дополнительных помех.
Конструктивно фотоприемник обычно крепится на дне корпуса, а излучатель - в верхней части. Зазор между излучателем и фотоприемником заполнен иммерсионным материалом - чаще всего эту роль выполняет полимерный оптический клей. Этот материал исполняет роль линзы, фокусирующей излучение на чувствительный слой фотоприемника. Иммерсионный материал снаружи покрыт специальной пленкой, отражающей световые лучи внутрь, чтобы препятствовать рассеянию излучения за пределы рабочей зоны фотоприемника.
Роль излучателей в оптронах, как правило, выполняют светодиоды на основе арсенид-галлия. Светочувствительные элементы в оптопарах могут представлять собой фотодиоды (оптопары серии АОД…), фототранзисторы, фототринисторы (оптопары серии АОУ.,.) и высокоинтегрированные схемы фотореле. В диодной оптопаре, например, в качестве фотоприемного элемента используется фотодиод на основе кремния, а излучателем служит инфракрасный излучающий диод. Максимум спектральной характеристики излучения диода приходится на длину волны около 1 мкм. Диодные оптопары применяются в фотодиодном и фотогенераторном режимах.
Транзисторные оптроны (серия АОТ…) имеют некоторые преимущества относительно диодных. Коллекторным током биполярного транзистора управляют как оптически (воздействуя на светодиод), так и электрически по базовой цепи (в данном случае работа фототранзистора при отсутствии излучения управляющего светодиода оптрона практически не отличается от работы обыкновенного кремниевого транзистора). У полевого транзистора управление осуществляется через цепь затвора.
Кроме того, фототранзистор может работать в ключевом и усилительных режимах, а фотодиод - только в ключевом. Оптроны с составными-транзисторами (например, АОТ1ЮБ), имеют наибольший коэффициент усиления (как и обычный узел на составном транзисторе), могут коммутировать напряжение и ток достаточно больших величин и по данным параметрам уступают только тиристорным оптронам и оптоэлектронным реле типа КР293КП2 - КР293КП4, которые приспособлены для коммутации высоковольтных и сильноточных цепей. Сегодня в розничной продаже появились новые оптоэлектронные реле серий К449 и К294. Серия К449 позволяет коммутировать напряжение до 400 В при токе до 150 мА. Такие микросхемы в четырехвы- водном компактном корпусе DIP-4 приходят на смену маломощным электромагнитным реле и имеют по сравнению с реле массу преимуществ (бесшумность работы, надежность, долговечность, отсутствие механических контактов, широкий диапазон напряжения срабатывания). Кроме того, их доступная цена объясняется тем, что нет необходимости использовать драгметаллы (в реле ими покрываются коммутирующие контакты).
В резисторных оптронах (например, ОЭП-1) и-злучателями являются электрические минилампы накаливания, помещенные также в один корпус.
Графическим обозначениям оптронов по ГОСТу присвоен условный код - латинская буква U, после которой следует порядковый номер прибора в схеме.
В главе 3 книги описаны приборы и устройства, иллюстрирующие применение оптронов.
Применение фотоприемников
Любое оптоэлектронное устройство содержит фотоприемный блок. И в большинстве современных оптоэлектронных устройств фотодиод составляет основу фотоприемника.
В сопоставлении с другими, более сложными фотоприемниками, они обладают наибольшей стабильностью температурных характеристик и лучшими эксплуатационными свойствами.
Основной недостаток, на который обычно указывают, - отсутствие усиления. Но он достаточно условен. Почти в каждом оп- тоэлектронном устройстве фотоприемник работает на ту или иную согласующую электронную схему. И введение усилительного каскада в нее значительно проще и целесообразнее, чем придание фотоприемнику несвойственных ему функций усиления.
Высокая информационная емкость оптического канала, связанная с тем, что частота световых колебаний (около 10 15 Гц) в 10 3 …10 4 раз выше, чем в освоенном радиотехническом диапазоне. Малое значение длины волны световых колебаний обеспечивает высокую достижимую плотность записи информации в оптических запоминающих устройствах (до 10 8 бит/см 2).
Острая направленность (кучность) светового излучения, обусловленная тем, что угловая расходимость луча пропорциональна длине волны и может быть меньше одной минуты. Это позволяет концентрированно и с малыми потерями передавать электрическую энергию в любую область пространства.
Возможность двойной - временной и пространственной - модуляции светового луча. Так как источник и приемник в опто- электронике не связаны друг с другом электрически, а связь между ними осуществляется только посредством светового луча (электрически нейтральных фотонов), то они не влияют друг на друга. И поэтому в оптоэлектронном приборе поток информации передается лишь в одном направлении - от источника к приемнику. Каналы, по которым распространяется оптическое излучение, не воздействуют друг на друга и практически не чувствительны к электромагнитным помехам, что определяет их высокую помехозащищенность.
Важная особенность фотодиодов - высокое быстродействие. Они могут работать на частотах до нескольких МГц. обычно изготовляют из германия или кремния.
Фотодиод является потенциально широкополосным приемником. Этим обуславливается его повсеместное применение и популярность.
ИК спектра
Инфракрасный излучающий диод (ИК диод) представляет собой полупроводниковый диод, который при протекании через него прямого тока излучает электромагнитную энергию в инфракрасной области спектра.
В отличие от видимого человеческим глазом спектра излучения (какое, например, производит обычный светоизлучающий диод на основе фосфида галлия) ИК излучение не может быть воспринято человеческим глазом, а регистрируется с помощью специальных приборов, чувствительных к данному спектру излучения. Среди популярных фотоприемных диодов ИК спектра можно отметить фоточувствительные приборы МДК-1, ФД263-01 и подобные им.
Спектральные характеристики ИК излучающих диодов имеют выраженный максимум в интервале волн 0,87…0,96 мкм. Эффективность излучения и КПД данных приборов выше, чем у светоизлучающих диодов.
На основе ИК диодов (которые в электронных конструкциях занимают важное место передатчиков импульсов ИК спектра) конструируются волоконно-оптические линии (выгодно отличающиеся своим быстродействием и помехозащищенностью), многоплановые электронные бытовые узлы и, конечно же, электронные узлы охраны. В этом есть свое преимущество, т.к. ИК луч невидим человеческим глазом и в некоторых случаях (при условии использования нескольких разнонаправленных ИК лучей) определить визуально наличие самого охранного устройства невозможно до его перехода в режим «тревога»). Опыты работы в сфере производства и обслуживания систем охраны на основе ИК излучателей позволяют все же дать некоторую рекомендацию по определению рабочего состояния ИК излучателей.
Если близко всмотреться в излучающую поверхность ИК диода (например, АЛ147А, АЛ156А), когда на него подан сигнал управления, то можно заметить слабое красное свечение. Световой спектр этого свечения близок к цвету глаз животных альбиносов (крыс, хомяков и т.д.). В темноте ИК свечение еще более выражено. Необходимо заметить, что длительное время всматриваться в излучающий ИК световую энергию прибор нежелательно с медицинской точки зрения.
Кроме систем охраны, ИК излучающие диоды в настоящее время находят применение в брелоках сигнализации для автомобилей, различного рода беспроводных передатчиках сигналов на расстояние. Например, подключив к передатчику модулированный НЧ сигнал от усилителя, с помощью ИК приемника на некотором расстоянии (зависит от мощности излучения и рельефа местности) можно прослушивать звуковую информацию, телефонные переговоры также можно транслировать на расстояние. Этот способ сегодня менее эффективен, но все же является альтернативным вариантом домашнему радиотелефону. Самым популярным (в быту) применением ИК излучающих диодов являются пульты дистанционного управления различными бытовыми приборами.
Как может легко убедиться любой радиолюбитель, вскрыв крышку ПДУ, электронная схема этого прибора не сложна и может быть повторена без особых проблем. В радиолюбительских конструкциях, некоторые из которых описаны в третьей главе данной книги, электронные устройства с ИК излучающими и приемными приборами намного проще, чем промышленные устройства.
Параметры, определяющие статические режимы работы ИК диодов (прямое и обратное максимально допустимое напряжение, прямой ток и т.д.) сходны с параметрами фотодиодов. Основными специфическими параметрами, по которым их идентифицируют, для ИК диодов являются:
Мощность излучения - Р изл - поток излучения определенного спектрального состава, излучаемого диодом. Характеристикой диода, как источника ИК излучения, является ватт-амперная характеристика - зависимость мощности излучения в Вт (милливаттах) от прямого тока, протекающего через диод. Диаграмма направленности излучения диода показывает уменьшение мощности излучения в зависимости от угла между направлением излучения и оптической осью прибора. Современные ИК диоды различаются между имеющими остронаправленное излучение и рассеянное.
При конструировании электронных узлов следует учитывать, что дальность передачи ИК сигнала прямо зависит от угла наклона (совмещения передающей и приемной частей устройства) и мощности ИК диода. При взаимозаменах ИК диодов необходимо учитывать этот параметр мощности излучения. Некоторые справочные данные по отечественным ИК диодам приведены в табл. 2.2.
Данные по взаимозаменам зарубежных и отечественных приборов приведены в приложении. Сегодня наиболее популярными типами ИК диодов среди радиолюбителей считаются приборы модельного ряда АЛ 156 и АЛ147. Они оптимальны по универсальности применения и стоимости.
Импульсная мощность излучения - Р изл им - амплитуда потока излучения, измеряемая при заданном импульсе прямого тока через диод.
Ширина спектра излучения - интервал длин волн, в котором спектральная плотность мощности излучения составляет половину максимальной.
Максимально допустимый прямой импульсный ток 1 пр им (ИК диоды в основном используются в импульсном режиме работы).
Таблица 2.2. Излучающие диоды инфракрасного спектра
|
ИК диод |
Мощность излучения, мВт |
Длина волны, мкм |
Ширина спектра, мкм |
Напряжение на приборе, В |
Угол излучения, град |
|
нет данных |
нет данных |
||||
Время нарастания импульса излучения t Hap изл - интервал времени, в течение которого мощность излучения диода нарастает с 10 до 100% от максимального значения.
Параметр времени спада импульса t cnM 3 J 1 аналогичен предыдущему.
Скважность - Q - отношение периода импульсных колебаний к длительности импульса.
В основе предлагаемых к повторению электронных узлов (глава 3 данной книги) лежит принцип передачи и приема модулированного ИК сигнала. Но не только в таком виде можно использовать принцип работы ИК диода. Такие оптореле могут работать и в режиме реагирования на отражение лучей (фотоприемник размещается рядом с излучателем). Этот принцип воплощен в электронные узлы, реагирующие на приближение к объединенному приемо-передающему узлу какого-либо предмета или человека, что также может служить датчиком в системах охраны.
Вариантов применения ИК диодов и устройств на их основе бесконечно много и они ограничиваются только эффективностью творческого подхода радиолюбителя.