Фотодіоди. Види і пристрій. Робота і характеристики

Особливе місце в електротехніці займають фотодіоди, які застосовуються в різних пристроях і приладах. Фотодиодом називається напівпровідниковий елемент, за своїми властивостями подібний простому диоду. Його зворотний струм прямо залежить від інтенсивності світлового потоку, що падає на нього. Найчастіше в якості фотодіода застосовують напівпровідникові елементи з р-n переходом.

Пристрій і принцип дії

Фотодіод входить до складу багатьох електронних пристроїв. Тому він і придбав широку популярність. Звичайний світлодіод – це діод з р-n переходом, провідність якого залежить від падаючого на нього світла. У темряві фотодиод володіє характеристиками звичайного діода.

1 – напівпровідниковий перехід.
2 – позитивний полюс.
3 – світлочутливий шар.
4 – негативний полюс.

При дії потоку світла на площину переходу фотони поглинаються з енергією, що перевищує граничну величину, тому в n-області утворюються пари носіїв заряду – фотоносіїв.

При змішуванні фотоносіїв в глибині області «n» основна частина носіїв не встигає рекомбінувати і проходить до кордону р-n. На переході фотоносіїв діляться електричним полем. При цьому дірки переходять в область «р», а електрони не здатні пройти перехід, тому накопичуються біля кордону переходу р-n, а також області «n».

Зворотний струм діода при впливі світла підвищується. Значення, на яке підвищується зворотний струм, називають фотострумом.

Фотоносіїв у вигляді дірок здійснюють позитивний заряд області «р», по відношенню до області «n». У свою чергу електрони виробляють негативний заряд «n» області щодо «р» області. Виникла різниця потенціалів називається фотоелектродвіжущей силою, і позначається «Еф». Електричний струм, що виникає в фотодіоді, є зворотним, і спрямований від катода до анода. При цьому його величина залежить від величини освітленості.

Режими роботи

Фотодіоди здатні функціонувати в наступних режимах:

  • Режим фотогенератора. Без підключення джерела електрики.
  • Режим фотоперетворювача. З підключенням зовнішнього джерела живлення.

В роботі фотогенератора фотодіоди використовуються замість джерела живлення, які перетворять сонячне світло в електричну енергію. Такі фотогенератора називаються сонячними елементами. Вони є основними частинами сонячних батарей, які застосовуються в різних пристроях, в тому числі і на космічних кораблях.

ККД сонячних батарей на основі кремнію становить 20%, у плівкових елементів цей параметр значно більше. Важливою властивістю сонячних батарей є залежність потужності виходу до ваги і площі чутливого шару. Ці властивості досягають величин 200 Вт / кг і 1 кВт / м2.

При функціонуванні фотодіода як фотоперетворювача, джерело напруги Е підключається в схему зворотного полярністю. При цьому застосовуються зворотні графіки вольт-амперної характеристики при різних освещенностях.

Напруга і струм на навантаженні Rн визначаються на графіку по перетину характеристики фотодіода і навантажувальної лінії, яка відповідає резистору R н. У темряві фотодіод за своєю дією рівнозначний звичайному діоду. Струм в режимі темряви для кремнієвих діодів коливається від 1 до 3 мікроампер, для германієвих від 10 до 30 мікроампер.

види фотодіодів

Існує кілька різних видів фотодіодів, які мають свої переваги.

p – i – n фотодіод

В області р-n у цього діода є ділянка з великим опором і власноюпровідність. При впливі на нього світла виникають пари дірок і електронів. Електричне поле в цій зоні має постійне значення, просторовий заряд відсутній.

Цей допоміжний шар значно знижує ємність замикаючого шару, і не залежить від напруги. Це розширює смугу робочих частот діодів. В результаті швидкість різко підвищується, і частота досягає 1010 герц. Підвищений опір цього шару значно зменшує струм роботи при відсутності освітлення. Щоб світловий потік зміг проникнути через р-шар, він не повинен бути товстим.

 
лавинні фотодіоди

Такий вид діодів є напівпровідниками з високою чутливістю, які перетворять освітлення в сигнал електричного струму за допомогою фотоефекту. Іншими словами, це фотоприемники, що підсилюють сигнал внаслідок ефекту лавинного множення.

1 – омические контакти 2 – антіотражающее покриття

Лавинні фотодіоди більш чутливі, на відміну від інших фотоприймачів. Це дає можливість застосовувати їх для незначних потужностей світла.

У конструкції лавинних фотодіодів застосовуються сверхрешетки. Їх суть полягає в тому, що значні відмінності ударної іонізації носіїв призводять до падіння шумів.

Іншою перевагою застосування аналогічних структур є локалізація лавинного розмноження. Це також знижує перешкоди. У сверхрешетке товщина шарів складає від 100 до 500 ангстрем.

Принцип дії

При зворотній напрузі, близькій до величини лавинного пробою, фототок різко посилюється за рахунок ударної іонізації носіїв заряду. Дія полягає в тому, що енергія електрона підвищується від зовнішнього поля і може перевершити кордон іонізації речовини, внаслідок чого зустріч цього електрона з електроном із зони валентності призведе до появи нової пари електрона і дірки. Носії заряду цієї пари будуть прискорюватися полем і можуть сприяти утворенню нових носіїв заряду.

Характеристики

Властивості таких світлових діодів можна описати деякими залежностями.

Вольт-амперна

Ця характеристика є залежністю сили струму при постійному потоці світла від напруги.

I – струм M – коефіцієнт множення U – напруга

світлова

Ця властивість є залежністю струму діода від освітлення. При зростанні потоку світла, фототок підвищується.

спектральна

Ця властивість є залежністю струму діода від довжини світлової хвилі, і є шириною прикордонної зони.

Постійна часу

Це час, за яке фототок діода змінюється після подачі світла в порівнянні зі сталим значенням.

Темновое опір

Це значення опору діода в темряві.

інерційність

Фактори, що впливають на цю характеристику:

  • Час дифузії нерівноважних носіїв заряду.
  • Час проходження по р-n переходу.
  • Період перезарядки ємності бар’єру р-n переходу.

Сфера використання

Фотодіоди є основними елементами багатьох оптоелектронних приладів.

Інтегральні мікросхеми (оптоелектронні)

Фотодіод може мати значну швидкість роботи, але коефіцієнт посилення струму становить не більше одиниці. Внаслідок оптичного зв’язку мікросхеми мають істотні переваги: ​​ідеальна гальванічна розв’язка ланцюгів управління від потужних силових ланцюгів. При цьому між ними зберігається функціональний зв’язок.

Фотоприймачі з декількома елементами

Ці пристрої у вигляді фотодіодною матриці, сканістора, є новими прогресивними електронними пристроями. Їх оптоелектронний очей з фотодиодом може створювати реакцію на просторові і яскравості властивості об’єктів. Іншими словами, він може бачити повний його зоровий образ.

Кількість осередків, чутливих до світла, дуже велика. Тому, крім питань швидкодії і чутливості, необхідно зчитування інформації. Все фотоприемники з множинними фотоелементами є сканирующими системами, тобто, приладами, які дозволяють аналізувати досліджуване простір послідовним поелементний переглядом.

Фотодіоди також знайшли широке застосування в оптоволоконних лініях, лазерних далекомірах. Нещодавно такі світлові діоди стали використовуватися в емісійно-позитронної томографії.

В даний час є зразки світлочутливих матриць, що складаються з лавинних фотодіодів. Їх ефективність і область застосування залежить він деяких факторів.

Найбільш впливають виявилися такі чинники:

  • Сумарний струм витоку, що утворюється шляхом додавання шумів і струму при відсутності світла.
  • Квантова ефективність, яка визначає частку падаючих квантів, що призводять до виникнення струму і носіїв заряду.
Ссылка на основную публикацию