Фотодиоды принцип работы основные характеристики

Принцип работы фотодиода, схема и устройство фотодиода

Что такое фотодиод? Это полупроводник, создающий электрический ток, под воздействием света.

• Режимы работы фотодиодов
• Pin-фотодиод
• Лавинный фотодиод
• Основные характеристики фотодиодов

Схема работы фотодиода

Чтобы понять работу фотодиода, разберемся сначала в работе диода. Диод – полупроводник, который пропускает ток в одном направлении.

Диод в состоянии покоя

Слева на рисунке полупроводник р-типа, справа n-типа, иными словами слева избыток «дырок» (положительно заряженных атомов), справа избыток свободных электронов. В результате диффузии дырки попадают в n-область, а электроны в p-область. На границе областей часть дырок и электронов рекомбинируют. Оставшиеся проходят, создавая запирающий слой, который препятствует перемещению дырок и электронов.

Если подать напряжение: слева — плюс, справа – минус, потечет ток, так как запирающий слой будет преодолен. Если напряжение подать наоборот, то запирающий слой увеличится, ток будет равен нулю, или будет очень мал.

У фотодиода светочувствительная n-область. Если он затемнен, то ведет себя, как обычный диод. Свет – электромагнитные волны – попадая в n-область фотодиода, выбивает электроны с внешних оболочек атомов. Появляется множество дырок и электронов (фотоносителей), которые диффундируют во все стороны. Р-n-переход пропускает дырки, но задерживает электроны. Возникает электрический ток.

Pin-фотодиод

Схема pin-фотодиода

В наше время широко применяются волоконно-оптические системы связи. В них для преобразования света в электрический сигнал применяются pin-фотодиоды. Р и n слои фотодиода изготавливают при помощи легирования (добавления примесей в полупроводник). Плюс говорит о том, что легирование повышенное, то есть добавок больше, чем обычно).

Средняя часть фотодиода – i часть – слаболегированный проводник n-типа. При подачи обратного напряжения, в этом слое возникает обедненная область (мало дырок и электронов). Поэтому сопротивление этой части диода велико, намного больше, чем в р+ и n+ слоях. Как следствие, электрическое поле сосредоточено в и-области. Фотон поглощенный в и-зоне рождает пару: электрон и дырка.

Сильное поле i-области мгновенно разделяет их по электродам: дырка поглощается катодом, электрон – анодом. Возникает электрический ток. Pin фотодиоды очень эффективны. Наибольшая частота, с которой они работают достигает 1010 герц. Что позволяет передавать терабайты информации за 1 секунду.

Как видим из рисунка, ширина и-слоя намного больше, чем ширина р+ и n+ слоев. Это сделано для того, чтобы фотоны поглощались бы в и-зоне, а не в соседних слоях.

Лавинный фотодиод

В волоконно-оптических системах связи помимо pin фотодиодов применяются лавинные фотодиоды (ЛФД).

ЛФД отличаются от ПИН фотодиодов наличием дополнительного р-слоя. Количество легирующих примесей подбирается так, что наибольшее сопротивление имеет р-слой. Это приводит к тому, что наибольшее падение напряжения происходит в р-слое. Фотон попадая в светочувствительный i-слой выбивает электрон, который устремляется к аноду. Соответствующая электрону дырка движется к катоду.

Электрон на своем пути попадает в зону высокого напряжения р-слоя. Здесь скорость электрона резко возрастает и становится достаточной для выбивания с внешней орбиты атомов р-слоя других электронов. Новые свободные электроны в свою очередь сбивают с валентных слоев дополнительные электроны. Процесс нарастает лавинообразно. Поэтому этот тип фотодиодов называется лавинным.

На рисунке показано резкое усиление электродвижущей силы в зоне р-слоя. Первичный ток, возникший в и-слое, лавинообразно усиливается в р-слое. Коэффициент умножения может достигать нескольких сотен. Слишком большое умножение приводит к большим шумам, которые увеличиваются быстрее сигнала. Оптимальный коэффициент умножения находится в пределах от30 до 100.

Основные характеристики фотодиодов

Мы рассмотрели физические аспекты работы фотодиодов. Чтобы до конца разобраться в том, что такое фотодиод необходимо ознакомиться с его математическим описанием. Главные характеристики фотодиодов: вольтамперная, световая и спектральная. Рассмотрим ВАХ:

Вольтамперная характеристика фотодиода

Мы видим семейство кривых, характеризующих зависимость тока, проходящего через фотодиод от приложенного напряжения. Каждая кривая соответствует различным потокам излучения (светового или инфракрасного). Кривая Ф=0 характеризует функционирование фотодиода в темноте. Все кривые не заходят во II четверть. Рабочая область III четверть.

Очень интересный факт, заключается в том, что в III четверти сила тока почти не зависит от приложенного обратного напряжения и сопротивления нагрузки. Она зависит от величины светового потока. Чем больше поток, тем больше сила тока. Уравнение зависимости обратного напряжения от силы тока имеет вид:

Eобр — Iф · R = U

Где Еобр – разность потенциалов источника обратного напряжения;

U – обратное напряжение на фотодиоде;

Iф– фототок (ток нагрузки);

R – резистор нагрузки.

Мы видим, что фотодиод в рабочей четверти является источником тока во внешней цепи.

I четверть – нерабочая зона фотодиода. Здесь приложено к нему прямое напряжение. Диффузный ток подавляет фототок.

В IV четверти фотодиод работает, как фотогальванический элемент. Точка пересечения кривой с осью абсцисс соответствует значению ЭДС, возникающей при отсутствии тока в цепи. То есть при R= ∞. У кремниевых фотодиодов Uх при разных потоках Ф равно приблизительно 0,5в.

Точка пересечения кривых с осью ординат показывает ток короткого замыкания. То есть ток при R=0.

Заштрихованная область показывает оптимальный режим для потока Ф1.

Понравилась статья? Расскажите друзьям: , для нас это очень важно: Проголосовавших: 2 чел.

Принцип действия фотодиода

Простой фотодиод является обыкновенным полупроводниковым диодом с р-п-переходом, на который оказывает действие оптическое излучение. При полном отсутствии светового потока, диод находится в состоянии равновесия и обладает обычными свойствами.

Действие излучения направлено перпендикулярно относительно плоскости, где расположен р-п-переход. Энергия, с которой поглощаются фотоны, превышает ширину запрещенной зоны, что приводит к возникновению электронно-дырочных пар. Данные пары, состоящие из электронов и дырок, получили наименование фотоносителей.

Когда фотоносители проникают внутрь п-области, электроны и дырки, в основной массе не успевают распадаться на составляющие и подходят непосредственно к границе р-п-перехода. В этом месте происходит разделение фотоносителей с помощью электрического поля. В результате, дырки попадают в р-область. Электроны же не в состоянии пройти через поле, окружающее переход, поэтому начинается их скапливание возле п-области и у границы перехода. Таким образом, прохождение тока через переход полностью зависит от движения дырок. Данный вид тока с участием фотоносителей получил название фототока.

Под воздействием фотоносителей-дырок в р-области по отношению к п-области возникает положительный заряд. Таким же образом, п-область заряжается отрицательно относительно р-области. Происходит возникновение разности потенциалов, именуемой фото-ЭДС. Ток, сгенерированный в фотодиоде, имеет обратное значение и направление от катода к аноду. Величина этого тока возрастает в зависимости от увеличения степени освещенности. Работа фотодиодов может осуществляться в двух режимах. В первом случае используется фотогенераторный режим, не предусматривающий внешний источник электроэнергии. В режиме фотопреобразователя необходимо использование внешнего источника электроэнергии.

Режим фотогенератора позволяет использовать фотодиоды как источники питания, преобразующие солнечное излучение в электрическую энергию. Они используются в качестве элементов солнечной батареи. Коэффициент полезного действия элементов на основе кремния составляет примерно 20%. КПД у пленочных конструкций может быть значительно выше.

В работе фотодиодом нередко используется свойство обратимого электрического пробоя. В результате, количество носителей заряда умножается лавинообразно, по аналогии с полупроводниковыми стабилитронами. Происходит значительный рост фототока и чувствительности фотодиодов. Данное значение превышает обычные параметры в сотни раз.

Частота лавинных фотодиодов достигает величины до 10 ГГц, что позволяет использовать их в качестве быстродействующих фотоэлектрических приборов. Единственным недостатком этих устройств является повышенный уровень шума. Фотодиоды очень часто используются в паре со светодиодами. Они размещаются в общем корпусе, при этом, расположение светочувствительной площадки фотодиода наиболее оптимально к излучающей светодиодной площадке. Данные приборы получили название оптронов. Электрические связи совершенно не касаются входных и выходных цепей, поскольку сигналы передаются путем оптического излучения.

Характеристики фотодиодов

Если рассматривать в целом непосредственно фотодиоды, принцип действия и другие параметры этих устройств, следует отметить то, как выходная мощность соотносится с общей массой и площадью солнечной батареи. Максимальное значение этих параметров может достигать соответственно 200 ватт на 1 кг и 1 киловатт на 1 м2.

Кроме того, значение имеет вольт-амперная характеристика, в которой выходное напряжение зависит от выходного тока. Значение спектральных характеристик показывает соотношение фототока и величины световых волн, падающих на фотодиод. Максимальное значение данного параметра находится в прямой зависимости от того, насколько возрастает коэффициент поглощения.

Фототок и освещенность определяют световую характеристику фотодиода. Обе величины имеют между собой прямую пропорциональную зависимость. Эта величина представляет временной отрезок, на протяжении которого происходят изменения после того как фотодиод освещен или затемнен. Показатель соотносится с установленным значением. Фотодиод также характеризуется в соответствии с сопротивлением при отсутствии освещения и другими параметрами, определяющими его работоспособность и область практического применения.

Бесплатная техническая библиотека

Как скачивать файлы с сайта?

Добавить в закладки, оставить отзыв

	Энциклопедия радиоэлектроники и электротехники
	Бесплатная библиотека / Схемы радиоэлектронных и электротехнических устройств

Фототранзисторы. Справочные данные

Энциклопедия радиоэлектроники и электротехники / Справочные материалы

Комментарии к статье

Фототранзисторы отличаются от фотодиодов дополнительным усилением фототока на эмиттерном p-n переходе. Фототранзисторы могут работать как фотодиоды (режим с плавающей базой), так и в транзисторном режиме с источником смещения в базовой цепи. Вывод эмиттера фототранзистора маркируется цветной точкой на корпусе или цветной меткой на проволочном выводе. Фототранзисторы выпускают в металлостеклянном корпусе с входным окном базы в двух конструктивных оформлениях, как с отдельным электрическим выводом базы, так и без него.

Основные параметры фототранзисторов приведены в таблице, внешний вид фототранзисторов показан на рис. 1.

Рис. 1 Внешний вид и цоколевка

Импортные фототранзисторы

Н.В.Пароль, С.А.Кайдалов; Публикация: www.cxem.net

Смотрите другие статьи раздела Справочные материалы.

Читайте и пишите полезные комментарии к этой статье.

Рекомендуем скачать в нашей Бесплатной технической библиотеке:

журналы Радиоаматор (годовые архивы)

журналы Химия и жизнь (годовые архивы)

книга Дифференциальные защиты трансформаторов с реле типа ДЗТ-21 (ДЗТ-23). Голанцов Е.Б., Молчанов В.В., 1990

книга Металлоискатели для поиска кладов и реликвий. Теория и практика. Щедрин А.,1999

статья Консервирование дерева

статья Тон-регистр

справочник Сервисные меню зарубежных телевизоров. Книга №8

Основные характеристики и параметры фотодиодов

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

Фотодиодомназывается 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 nо свободных электронов и такое же количество неподвижных положительно заряженных ионов донорной примеси.

В дырочном полупроводнике (полупроводнике p-типа) реализуется подобная ситуация. В нем имеется pо 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 Uф (часто называют «напряжение

Рис. 3 Рис.4 – Вольт-амперные характеристики фотодиода

при различных световых потоках (Ф1 < Ф2 < Ф3).

холостого хода Uхх «), 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 Rн 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 Iн — ток насыщения в темноте; Iф — 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 (Iф = 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 — Iф. Из выражения (1) видно, что при обратном включении (U < 0) и при

( qU >> kT ) сила тока через переход I = — (Iн + Iф).

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 Uф .

(2)

Если фотодиод в режиме генерации включен во внешнюю цепь с малым сопротивлением, то фотоэлектроны в n – области не накапливаются и Uф = 0. А поскольку внешнее напряжение отсутствует, то в цепи течёт ток I = — Iф, часто называемый током короткого замыкания и прямо пропорциональный световому потоку Iф ~ 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; Rн — 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) Rн. В этом случае переход обладает огромным сопротивлением и через него течёт слабый обратный ток (ток насыщения в темноте Iн ). При освещении фотодиода ток через него резко возрастает за счёт возникновения фототока и может значительно превысить темновой ток Iн (рис. 4). Соответственно изменяется и падение напряжения на нагрузочном сопротивлении Rн. При правильном выборе иcточника напряжения и внешнего сопротивления Rн 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 Rн 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 Iф или напряжения Uф ), снимаемой на выходе фотодиода, к потоку излучения Ф, падающему на прибор.

SI = Iф / Ф — токовая чувствительность, Sv = Uф / Ф — вольтовая чувствительность.

— Порог чувствительности Фп– 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 – 10-8с.

— Темновое сопротивление RТ – 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 λмакс = 800 – 900 нм, у германиевых фотодиодов находится при λмакс = 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.

Таблица

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).