Диодный режим работы фотодиода

Что такое фотодиод?

Обозначение на схемах

Режимы работы фотодиода

В фотогальваническом режиме фотодиод работает без внешнего источника питания. В этом режиме он может работать в качестве датчики или в качестве элемента питания (солнечной батареи), так как под воздействием света на выводах фотодиода появляется напряжение, зависящее от потока излучения и нагрузки.

Вольтамперная характеристика

График состоит из 4 областей, так называемых квадрантов. Фотодиодному режиму соответствует работа в 3-м квадранте. 

Фотодиоды – полупроводниковые элементы, обладающие светочувствительностью. Их основная функция – трансформация светового потока в электросигнал. Такие полупроводники применяются в составе различных приборов, функционирование которых базируется на использовании световых потоков.

Принцип работы фотодиодов

Основа действия фотодиодных элементов – внутренний фотоэффект. Он заключается в возникновении в полупроводнике под воздействием светового потока неравновесных электронов и дырок (то есть незаполненных валентных связей, проявляющих себя как носители положительного заряда, который равен заряду электрона), которые формируют фотоэлектродвижущую силу.

• При попадании света на p-n переход происходит поглощение световых квантов с образованием фотоносителей
• Фотоносители, находящиеся в области n, подходят к границе, на которой они разделяются под влиянием электрополя
• Дырки перемещаются в зону p, а электроны собираются в зоне n или около границы
• Дырки заряжают p-область положительно, а электроны – n-зону отрицательно. Образуется разность потенциалов
• Чем выше освещенность, тем больше обратный ток

Если полупроводник находится в темноте, то его свойства аналогичны обычному диоду. При прозванивании тестером в отсутствии освещения результаты будут аналогичны тестированию обычного диода. В прямом направлении будет присутствовать маленькое сопротивление, в обратном – стрелка останется на нуле.

Схема фотодиода

Режимы работы

Фотодиоды разделяют по режиму функционирования.

Режим фотогенератора

Осуществляется без источника электропитания. Фотогенераторы, являющиеся комплектующими солнечных батарей, иначе называют «солнечными элементами». Их функция – преобразовывать солнечную энергию в электрическую. Наиболее распространены фотогенераторы, созданные на базе кремния – дешевого, распространенного, хорошо изученного. Обладают невысокой стоимостью, но их КПД достигает всего 20%. Более прогрессивными являются пленочные элементы.

Режим фотопреобразования

Источник электропитания в схему подключается с обратной полярностью, фотодиод в данном случае служит датчиком освещенности.

Основные параметры

Свойства фотодиодов определяют следующие характеристики:

• Вольтамперная. Определяет изменение величины светового тока в соответствии с меняющимся напряжением при стабильных потоке света и темновом токе
• Спектральная. Характеризует влияние длины световой волны на фототок
• Постоянная времени – это период, в ходе которого ток реагирует на увеличение затемнения или освещенности на 63% от установленного значения
• Порог чувствительности – минимальный световой поток, на который реагирует диод
• Темновое сопротивление – показатель, характерный для полупроводника при отсутствии света
• Инерционность

Из чего состоит фотодиод?

Разновидности фотодиодов

P-i-n

Для этих полупроводников характерно наличие в зоне p-n перехода участка, обладающего собственной проводимостью и значительной величиной сопротивления. При попадании на этот участок светового потока появляются пары дырок и электронов. Электрополе в данной области постоянно, пространственного заряда нет. Такой вспомогательный слой расширяет диапазон рабочих частот полупроводника. По функциональному назначению p-i-n-фотодиоды разделяют на детекторные, смесительные, параметрические, ограничительные, умножительные, настроечные и другие.

Лавинные

Этот вид отличается высокой чувствительностью. Его функция – преобразование светового потока в электросигнал, усиленный с помощью эффекта лавинного умножения. Может применяться в условиях незначительного светового потока. В конструкции лавинных фотодиодов используются сверхрешетки, способствующие снижению помех при передаче сигналов.

С барьером Шоттки

Состоит из металла и полупроводника, вокруг границы соединения которых создается электрическое поле. Главным отличием от обычных фотодиодов p-i-n-типа является использование основных, а не дополнительных носителей зарядов.

С гетероструктурой

Образуется из двух полупроводников, имеющих разную ширину запрещенной зоны. Гетерогенным называют слой, находящийся между ними. Путем подбора таких полупроводников можно создать устройство, работающее в полном диапазоне длин волн. Его минусом является высокая сложность изготовления.

Области применения фотодиодов

• Оптоэлектронные интегральные микросхемы. Полупроводники обеспечивают оптическую связь, что гарантирует эффективную гальваноразвязку силовых и руководящих цепей при поддержании функциональной связи.
• Многоэлементные фотоприемники – сканисторы, фоточувствительные аппараты, фотодиодные матрицы. Оптоэлектрический элемент способен воспринимать не только яркостную характеристику объекта и ее изменение во времени, но и создавать полный визуальный образ.

Другие сферы использования: оптоволоконные линии, лазерные дальномеры, установки эмиссионно-позитронной томографии.

Другие материалы по теме

Принцип
действия фото­диодов.
Фотодиодами (ФД) называют полупроводнико­вые
приборы, основанные на внутреннем
фотоэффекте, ис­пользующие одностороннюю
проводимость (р
— n
— перехода, при освещении которого
появляется ЭДС (фотогаль­ванический
режим) или при наличии питания изменяется
обратный ток (фотодиодный режим). ФД
изготавливают на основе гомоперехода
(р
— n
— переход, образован­ный на границе
двух обла­стей одинакового материала,
но с примесями противоположного типа),
гетеропере­хода (р
— n
— переход, образо­ванный на границе
двух об­ластей разного материала с
примесями противоположно­го типа),
барьера Шоттки (контактный барьер,
обра­зующийся на границе металл и n
—
полупроводник
или ме­талл и р
—полупроводник
и различных МДП — структур) [67].

Односторонняя
проводи­мость (вентильный фотоэф­фект)
возникает при освеще­нии одной или
обеих обла­стей р
— n
—
перехода. Рассмот­рим режимы работы
ФД. При работе ФД в фотогаль­ваническом
режиме в осве­щенной n
— области образуют­ся новые носители
заряда — электроны и дырки (2.10, а).
Они диффундируют к р
— n
—
переходу, где неосновные носители —
дырки —
переходят
в
р —
область (обратный ток неосновных
носителей), а электроны, для
которых диффузионное поле р
— n
—
перехода будет запирающим, остаются n
—
области.

При
постоянном освещении в p
—
области накапливаются дырки, а n
— области — электроны. Это приводит к
появлению фото —
ЭДС,
поле которой направленно
против
поля диффузии в р
— n
—
переходе. Фото —
ЭДС, понижая одностороннюю проводимость
р
— n
—
перехода, увеличивает прямой ток
основ­ные носителей.

При
разомкнутой внешней цепи и неизменном
освещеиии прямой ток увеличивается
до
тех пор, пока токи основных
и
неоснонпых носителей не уравновесятся,
при этом между электродами р
— n
—
перехода устанавливается некоторая
разность потенциалов холостого хода
,
возникающая под действием освещения.

При
подключении к контактам ФД нагрузки
(рис. 2.10, а)
и отсутствии освещения через р
— n
—
переход и нагрузочное сопротивление
потечет ток термически генерированных
неосновных носителей I_s,
называемый
темновым током. Освещение вызывает
дополнительный фототок неосновных
носителей

.

Общий
ток в цепи ФД в фотогальваническом
режиме

,
(2.22)

где

=

—
падение напряжения на нагрузке от
протекающего в цепи тока;
е
— заряд электрона;
k
—
постоянная Больцмана;
Т
— абсолютная температура.

Это
выражение позволяет построить
вольт-амперные характеристики
фотогальванического режима.

Таким
образом, ФД в фотогальваническом режиме
непосредственно пре­образует энергию
света в электрическую энергию (при
освещенности 8000 лк фото-ЭДС составляет
около 0,1 В). В фотодиодном режиме к ФД
при­кладывают обратное напряжение
(рис. 2.10, б),
и при отсутствии освещения через
р
— n
—
переход и сопротивление нагрузки потечет
обратный дырочный ток термически
генерированных неосновных носителей
,
называемый тем­новым током. При
освещении же
n
—
области через
р
— n
—
переход и сопротив­ление нагрузки
будет протекать дополнительный дырочный
фототок неоснов­ных носителей
.
Суммарный ток в цепи складывается из
темнового тока и фототока неосновных
носителей.

Ток
основных носителей в диодном режиме
будет пренебрежимо малым, так как
прикладываемое обратное напряжение
источника питания, склады­ваясь с
напряжением поля диффузии р
— n
—
перехода, препятствует току основных
носителей.

Выражение
для вольт — амперной характеристики
фотодиодного режима имеет вид:

,
(2.23)

где
V —
напряжение внешнего источника, В.

Рассмотрим
схемы включения, вольт — амперные
характеристики и выбор нагрузки
ФД.

Диодный
режим работы ФД.
Схема включения фотодиода в диодном
режиме приведена на рис. 2.10, б,
а экспериментально полученные вольт —
амперные характеристики — на рис. 2.11,
а,
о.
Теоретически вольт — амперные характеристики
рассчитывают по формуле (2.23) [17, 18]. При
изменении сопротивления нагрузки
меняется угол наклона прямых α, так как
.
При этом падения напряжений на нагрузке
и ФД будут:

;

.

Ток
внешней цепи при приложении напряжения
питания

в
запирающем нлпряжении

.

Фототок
через токовую чувствительность ФД

и
падающий поток излу­чении Ф

.

Принцип работы фотодиодов

Основа действия фотодиодных элементов – внутренний фотоэффект. Он заключается в возникновении в полупроводнике под воздействием светового потока неравновесных электронов и дырок (то есть незаполненных валентных связей, проявляющих себя как носители положительного заряда, который равен заряду электрона), которые формируют фотоэлектродвижущую силу.

• При попадании света на p-n переход происходит поглощение световых квантов с образованием фотоносителей
• Фотоносители, находящиеся в области n, подходят к границе, на которой они разделяются под влиянием электрополя
• Дырки перемещаются в зону p, а электроны собираются в зоне n или около границы
• Дырки заряжают p-область положительно, а электроны – n-зону отрицательно. Образуется разность потенциалов
• Чем выше освещенность, тем больше обратный ток

Если полупроводник находится в темноте, то его свойства аналогичны обычному диоду. При прозванивании тестером в отсутствии освещения результаты будут аналогичны тестированию обычного диода. В прямом направлении будет присутствовать маленькое сопротивление, в обратном – стрелка останется на нуле.

Схема фотодиода

Режимы работы

Фотодиоды разделяют по режиму функционирования.

Режим фотогенератора

Осуществляется без источника электропитания. Фотогенераторы, являющиеся комплектующими солнечных батарей, иначе называют «солнечными элементами». Их функция – преобразовывать солнечную энергию в электрическую. Наиболее распространены фотогенераторы, созданные на базе кремния – дешевого, распространенного, хорошо изученного. Обладают невысокой стоимостью, но их КПД достигает всего 20%. Более прогрессивными являются пленочные элементы.

Режим фотопреобразования

Источник электропитания в схему подключается с обратной полярностью, фотодиод в данном случае служит датчиком освещенности.

Основные параметры

Свойства фотодиодов определяют следующие характеристики:

• Вольтамперная. Определяет изменение величины светового тока в соответствии с меняющимся напряжением при стабильных потоке света и темновом токе
• Спектральная. Характеризует влияние длины световой волны на фототок
• Постоянная времени – это период, в ходе которого ток реагирует на увеличение затемнения или освещенности на 63% от установленного значения
• Порог чувствительности – минимальный световой поток, на который реагирует диод
• Темновое сопротивление – показатель, характерный для полупроводника при отсутствии света
• Инерционность

Из чего состоит фотодиод?

Разновидности фотодиодов

P-i-n

Для этих полупроводников характерно наличие в зоне p-n перехода участка, обладающего собственной проводимостью и значительной величиной сопротивления. При попадании на этот участок светового потока появляются пары дырок и электронов. Электрополе в данной области постоянно, пространственного заряда нет. Такой вспомогательный слой расширяет диапазон рабочих частот полупроводника. По функциональному назначению p-i-n-фотодиоды разделяют на детекторные, смесительные, параметрические, ограничительные, умножительные, настроечные и другие.

Лавинные

Этот вид отличается высокой чувствительностью. Его функция – преобразование светового потока в электросигнал, усиленный с помощью эффекта лавинного умножения. Может применяться в условиях незначительного светового потока. В конструкции лавинных фотодиодов используются сверхрешетки, способствующие снижению помех при передаче сигналов.

С барьером Шоттки

Состоит из металла и полупроводника, вокруг границы соединения которых создается электрическое поле. Главным отличием от обычных фотодиодов p-i-n-типа является использование основных, а не дополнительных носителей зарядов.

С гетероструктурой

Образуется из двух полупроводников, имеющих разную ширину запрещенной зоны. Гетерогенным называют слой, находящийся между ними. Путем подбора таких полупроводников можно создать устройство, работающее в полном диапазоне длин волн. Его минусом является высокая сложность изготовления.

Области применения фотодиодов

• Оптоэлектронные интегральные микросхемы. Полупроводники обеспечивают оптическую связь, что гарантирует эффективную гальваноразвязку силовых и руководящих цепей при поддержании функциональной связи.
• Многоэлементные фотоприемники – сканисторы, фоточувствительные аппараты, фотодиодные матрицы. Оптоэлектрический элемент способен воспринимать не только яркостную характеристику объекта и ее изменение во времени, но и создавать полный визуальный образ.

Другие сферы использования: оптоволоконные линии, лазерные дальномеры, установки эмиссионно-позитронной томографии.

Другие материалы по теме

Принцип
действия фото­диодов.
Фотодиодами (ФД) называют полупроводнико­вые
приборы, основанные на внутреннем
фотоэффекте, ис­пользующие одностороннюю
проводимость (р
— n
— перехода, при освещении которого
появляется ЭДС (фотогаль­ванический
режим) или при наличии питания изменяется
обратный ток (фотодиодный режим). ФД
изготавливают на основе гомоперехода
(р
— n
— переход, образован­ный на границе
двух обла­стей одинакового материала,
но с примесями противоположного типа),
гетеропере­хода (р
— n
— переход, образо­ванный на границе
двух об­ластей разного материала с
примесями противоположно­го типа),
барьера Шоттки (контактный барьер,
обра­зующийся на границе металл и n
—
полупроводник
или ме­талл и р
—полупроводник
и различных МДП — структур) [67].

Односторонняя
проводи­мость (вентильный фотоэф­фект)
возникает при освеще­нии одной или
обеих обла­стей р
— n
—
перехода. Рассмот­рим режимы работы
ФД. При работе ФД в фотогаль­ваническом
режиме в осве­щенной n
— области образуют­ся новые носители
заряда — электроны и дырки (2.10, а).
Они диффундируют к р
— n
—
переходу, где неосновные носители —
дырки —
переходят
в
р —
область (обратный ток неосновных
носителей), а электроны, для
которых диффузионное поле р
— n
—
перехода будет запирающим, остаются n
—
области.

При
постоянном освещении в p
—
области накапливаются дырки, а n
— области — электроны. Это приводит к
появлению фото —
ЭДС,
поле которой направленно
против
поля диффузии в р
— n
—
переходе. Фото —
ЭДС, понижая одностороннюю проводимость
р
— n
—
перехода, увеличивает прямой ток
основ­ные носителей.

При
разомкнутой внешней цепи и неизменном
освещеиии прямой ток увеличивается
до
тех пор, пока токи основных
и
неоснонпых носителей не уравновесятся,
при этом между электродами р
— n
—
перехода устанавливается некоторая
разность потенциалов холостого хода
,
возникающая под действием освещения.

При
подключении к контактам ФД нагрузки
(рис. 2.10, а)
и отсутствии освещения через р
— n
—
переход и нагрузочное сопротивление
потечет ток термически генерированных
неосновных носителей I_s,
называемый
темновым током. Освещение вызывает
дополнительный фототок неосновных
носителей

.

Общий
ток в цепи ФД в фотогальваническом
режиме

,
(2.22)

где

=

—
падение напряжения на нагрузке от
протекающего в цепи тока;
е
— заряд электрона;
k
—
постоянная Больцмана;
Т
— абсолютная температура.

Это
выражение позволяет построить
вольт-амперные характеристики
фотогальванического режима.

Таким
образом, ФД в фотогальваническом режиме
непосредственно пре­образует энергию
света в электрическую энергию (при
освещенности 8000 лк фото-ЭДС составляет
около 0,1 В). В фотодиодном режиме к ФД
при­кладывают обратное напряжение
(рис. 2.10, б),
и при отсутствии освещения через
р
— n
—
переход и сопротивление нагрузки потечет
обратный дырочный ток термически
генерированных неосновных носителей
,
называемый тем­новым током. При
освещении же
n
—
области через
р
— n
—
переход и сопротив­ление нагрузки
будет протекать дополнительный дырочный
фототок неоснов­ных носителей
.
Суммарный ток в цепи складывается из
темнового тока и фототока неосновных
носителей.

Ток
основных носителей в диодном режиме
будет пренебрежимо малым, так как
прикладываемое обратное напряжение
источника питания, склады­ваясь с
напряжением поля диффузии р
— n
—
перехода, препятствует току основных
носителей.

Выражение
для вольт — амперной характеристики
фотодиодного режима имеет вид:

,
(2.23)

где
V —
напряжение внешнего источника, В.

Рассмотрим
схемы включения, вольт — амперные
характеристики и выбор нагрузки
ФД.

Диодный
режим работы ФД.
Схема включения фотодиода в диодном
режиме приведена на рис. 2.10, б,
а экспериментально полученные вольт —
амперные характеристики — на рис. 2.11,
а,
о.
Теоретически вольт — амперные характеристики
рассчитывают по формуле (2.23) [17, 18]. При
изменении сопротивления нагрузки
меняется угол наклона прямых α, так как
.
При этом падения напряжений на нагрузке
и ФД будут:

;

.

Ток
внешней цепи при приложении напряжения
питания

в
запирающем нлпряжении

.

Фототок
через токовую чувствительность ФД

и
падающий поток излу­чении Ф

.

Рис.
2.10. Схема генерирования и разделения
пар носителей заряда при освещении р
— n
— перехода
(а) и способы включения ФД на активную
и реактивную нагрузки:

фотодиодный
(б, г)
и фотогальванический
(в, д)

Рис.
2.11. Вольт — амперные характеристики ФД-1
(а), ветвь вольт — амперной характери­стики
фотодиодного режима (б), фотогальванического
(в) и при работе на разные нагрузки по
постоянному и переменному току (г)

Из
приведенных выражений

.

Продифференцировав
это выражение, полечим интегральную
вольтовую чувствительность ФД

.

Следовательно,
для повышения вольтовой чувствительности
необходимо увеличивать сопротивление
нагрузки
.
Значение

связано
с макси­мальным потоком излучения,
который можно зарегистрировать ФД,
следую­щим соотношением:

.
(2.24)

При
этом точка пересечения прямой нагрузки
с вольт — амперной характе­ристикой,
соответствующей максимальному потоку
излучения
,
должна лежать в области диодного режима.
С учетом выражения (2.24)

.

Из
выражения (2.25) получим две приближенные
формулы для

при

и

,
удобные
для практических расчетов:

;

.

В
случае

максимальная вольтовая чувствительность
не зависит от параметров ФД, а если
,
она тем больше, чем меньше значение тем
нового тока
.
При работе ФД с модулированным сигналом
от объекта на фоне немодулированной
фоновой засветки целесообразно, чтобы
вольтовая чувствительность по постоянному
току (от фона) была минимальна, а по
переменному току (от объекта) —
максимальна. Для этого используют
трансформаторную или дроссельную схемы
включения ФД, позволяющие получить
большое сопротивление по переменному
току (индуктивное сопро­тивление) и
малое по постоянному (активное
сопротивление) (рис. 2.10, г).
Вольт — амперные характеристики для
данного случая приведены на рис. 2.11, г
[72].

По
постоянному току сопротивление нагрузки
должно быть малым, в иде­але режим
короткого замыкания (;
;
).
По пере­менному току сопротивление
должно быть большим, в идеале — режим
холостого хода (;
;
).
При работе с разными нагруз­ками по
постоянному и переменному токам

определяет
вольтовую чувстви­тельность, а

— режим работы. При

.

Сопротивление
нагрузки по постоянному току желательно
делать намного меньше

,
вычисленного по формуле (2.24).

Пример.
Определить максимальную вольтовую
чувствительность по переменному току
фотодиода ФД-1 при постоянном фототоке
фона 0,001 А, который соответствует потоку
излучения от фона

= 0,03 лм (освещенность на фоточувствительной
площадке 6000 лк). Темновой ток фотодиода
при

= 15 В

= 15 мкА. (При пересчете потока фона из лм
в Вт с учетом спектральных характеристик
имеем: 0,03 лм = 0,0015 Вт.)

1.
Находим

Ом.

должно быть выбрано много меньше
вычисленного для осуществления
минимальной вольтовой чувствительности
по постоянному току ().

2.
Определяем максимально допустимое
значение нагрузки по переменному току

Ом.

3.
Расчитываем максимальную вольтовую
чувствительность по переменному току
при

Ом:

В/лм;

В/Вт.

Фотогальванический
режим работы ФД.
В фотогальваническом режиме работы ФД
(рис. 2.11, в)
напряжение на р
— n
—
переходе
определяется током, протекающим в цепи
нагрузки, согласно формуле (2.22).

Если
,
то ток во внешней цепи
,
а вместо

в (2.22) можно подставить значение

—
напряжение холостого хода:

.

После
преобразований найдем напряжение
холостого хода

.
(2.26)

Напряжение
холостого хода (фото — ЭДС) ФД в
фотогальваническом ре­жиме изменяется
с ростом светового потока по логарифмическому
закону и в пределе достигает значения,
равного контактной разности потенциалов
р
— n
—
перехода.
Зависимость

— сложная и нелинейная, но диапа­зон
изменения сигнала велик. Линейность
наблюдают только на начальном участке
при
.
Для
получения максимальной вольтовой
чувствитель­ности продифференцируем
уравнение (2.26):

,

где

— темновой ток насыщения при Ф = 0,

=
;

—
сопро­тивление р
— n
—
перехода
при нулевом напряжении.

Для
комнатной температуры (в В/Вт)

.

Из
этого выражения можно получить
приближенные формулы для

и

соответственно, удобные для практических
расчетов:

;

.

Отсюда
следует, что вольтовая чувствительность
в фотогальваническом режиме уменьшается
с увеличением потока излучения, падающего
на ФД. Если известен максимальный фототок

, то максимальное сопро­тивление
нагрузки по постоянному току для линейной
системы

.
(2.27)

Следует
иметь в виду, что оптимизировать нагрузку
на весь диапазон работы ФД не удается,
так как сопротивление р
— n
—
перехода
меняется от освещенности, и вольтовая
чувствительность при этом условии

,

где

—
полное сопротивление нагрузки.

Если
,
то
,
т.
e.

не
зависит от потока излу­чения. Если
условие вычисления

по формуле (2.27) не выполняется, то
вольтовую чувствительность определяют
по формуле:

,

где

— ток нагрузки при постоянной засветке.

Пример.
Определить интегральную вольтовую
чувствительность для германиевого
фото­диода ФД-1 при температуре 20 °С
и постоянной засветке 6000
лк,
фототок
засветки равен 0,001 А,

= 20 мА/лм.

Находим

:

Ом.

Рассчитываем
максимальный световой поток, падающий
на фотодиод,

лм.

Определяем
интегральную вольтовую чувствительность
фотодиода в фотогальваническом режиме
при условии
:

мВ/лм.

Максимальная
вольтовая чувствительность в фотодиодном
режиме выше, чем в фотогальваническом.
Определим отношение максимальных
вольтовых чувствительностей в диодном
и фото­гальваническом режимах в случае

и
:

;

.

Для
комнатной температуры и напряжения
питания фотодиода в диодном режиме 15 В
отношение вольтовых чувствительностей
n
= 15/0,025 = 600.

Фотогальванический
режим не требует источника питания и
обеспечивает существенно меньшие шумы,
т. е. большую обнаружительную способ­ность.
ФД в фотогальваническом режиме обладают
малым внутренним сопро­тивлением.

ФД
в фотодиодном режиме обладают значительным
внутренним сопро­тивлением и находят
применение в цепях с большим сопротивлением
нагрузки.

Работа
с малыми сигналами в фотогальваническом
режиме предъявляет особые требования
к усилителю, у которого при больших
коэффициентах усиления должен быть
малый уровень шумов.

Постоянная
времени и частотные характеристики ФД.
Постоянная вре­мени ФД определяется
временем пролета носителей от места их
генерации под действием освещенности
(в тонком поверхностном слое) до
р
— n
—
пере­хода,
где они рекомбинируют, и постоянной
времени схемной релаксации

(RC
—
цепочка
ФД). Постоянная времени RC
—
цепочки у обычных ФД не пре­вышает
10^-9
с, поэтому при глубине залегания
р
— n
—
перехода
(толщине базы) в несколько мкм время
переноса неосновных носителей составляет
10^-7
—
10^-8с,
что и определяет
.
Время же пролета зависит от структуры
ФД и механизма переноса неосновных
носителей, образующих фототок. При
равномерном распределении примесей в
р —
и
п — областях,
когда «тянущее» поле
р
— n
—
перехода
мало, преобладающим механизмом переноса
носителей тока является диффузия. В
этом случае в фотогальваническом режиме
при одинаковой толщине освещаемой базы
ФД меньшая постоянная вре­мени и
большая граничная частота получаются
при освещении p
—
полупровод­ника,
так как коэффициент диффузии электронов
(неосновных носителей, образующих
фототок)

значительно больше коэффициента диффузии
дырок
,
а следовательно, время диффузии электронов
соответственно короче.

Для
германиевых ФД граничная частота (в
МГц):

;

,

где

—
толщина базы из n
—
полупроводника, мкм;

—
толщина базы из р
-полупроводника,
мкм.

Для
кремния:

;

.

При
наличии значительных примесей в р
— или n
— областях (область с более высокой
концентрацией примеси обозначают плюсом
над буквой примеси:
р⁺
— п
или р
—
п⁺
постоянная
времени

и граничная частота

определяются
механизмом переноса носителей тока за
счет диффузии в элек­трическом
(«тянущем») поле р
— n
—
перехода, которое уменьшает

на
порядок. В таких ФД постоянная схемной
релаксации ()
также уменьшается.

В
диодном режиме при наличии обратного
внешнего напряжения пита­ния наблюдается
дрейф носителей тока в сильном
электрическом поле, который ускоряет
носители и значительно уменьшает
постоянную времени ФД. На рис. 2.12 приведены
экспериментальные частотные характеристики
кремниевого ФД, у которого в
фотогальваническом режиме граничная
частота составляет 1 — 2 мГц, а в фотодиодном
режиме при

= 150 В доходит до 200 МГц [11].

Рис.
2.12. Экспериментальные частотные
характеристики кремниевых фотодиодов:
а,
б — р
— n
— структура
(а —
на основе кремния р
— типа,
б
— на основе кремния n
— типа);
в
— р — i
— n
— структура

——— —

мкм;
— — — —

мкм

Форма
частотной характеристики и

зависят
от параметров самого ФД, от приложенного
обратного напряжения питания, от
спектрального состава падающего на ФД
излучения (меняется глубина проникновения
излучения), от формы модуляции излучения
и т. д.

Постоянная
времени обычных ФД на основе Ge
составляет
10^-5
с, на основе Si
—
10^-6
с при напряжении питания порядка 20 В.
Для умень­шения постоянной времени
используют
р
— i
—
n
—
структуры с сильным
,
уменьшают
толщину базы и т. д.

Частотная
характеристика ФД может быть скорректирована
в электрон­ном тракте, как об этом
говорилось выше.

Фототок
и спектральная чувствительность ФД.
Фототок ФД образуется избыточными,
генерированными при освещении неосновными
носителями, дошедшими до р
— n
—
перехода. Его значение входит в общее
выражение для вольт — амперных характеристик
ФД, поэтому в фотогальваническом режиме
[4]

,

— плотность
фототока, А/см²;

—
спектральная плотность энергетической
освещенности в квантах, квант/(см²
с);

— спектральный коэффициент поглощения,
отн. ед.;

— квантовый выход полупроводника,
1/квант;

— доля нерекомбинированных носителей
заряда, дошедших до р
— n
—
перехода (коэффициент собирания), отн.
ед.;

— заряд электронов, А

с.

Так
как

;

,

то

,
(2.28)

где

— площадь фоточувствительной площадки,
см²;

— спектраль­ный коэффициент отражения,
отн. ед.

Из
выражения (2.28) можно получить абсолютную
спектральную харак­теристику
чувствительности фотодиода (6 А/Вт):

.

Как
видно из этого, спектральная чувствительность
ФД определяется в основном свойствами
полупроводника, из которого он изготовлен.

Спектральная
характеристика ФД зависит от толщины
базы (глубины залегания р
— n
—
перехода) и от диффузионной длины
неосновных носителей. Для повышения
спектральной чувствительности в
длинноволновой области увеличивают
диффузионную длину носителей, а для
повышения спектраль­ной чувствительности
в коротковолновой области необходимо
создать боль­шие тянущие электрические
поля в базе, чтобы генерируемые в тонком
слое носители разделялись тянущим полем
и не успевали рекомбинировать, как это
происходит в поверхностно — барьерных
ФД.

Спектральная
чувствительность ФД меняется при
переходе от фотогаль­ванического
режима к фотодиодному, так как меняется
коэффициент соби­рания носителей
(рис. 2.13, а).
Значительное влияние на спектральную
чувствительность ФД оказывает температура
фоточувствительного слоя.

Рис.
2.13. Изменение спектральной чувствительности
кремниевого ФД при переходе от
фотогальванического режима к фотодиодному
(а) и влияния на нее температуры (б)

Повышение
температуры уменьшает ширину запрещенной
зоны (для Si
—10
эВ/гр и зависимость линейная, для Ge
—
квадратичная) и увеличивает коэффициент
собирания носителей, что сметает границу
спектральной чувствительности ФД в ИК
— область (рис. 2.13, б)
и, наоборот, понижение температуры
уменьшает диффузионную длину неосновных
носи­телей и коэффициент собирания,
что смещает спектральную чувствительность
в коротковолновую область.

Совокупный
эффект этих механизмов для Si
показывает
рис. 2.13, б,
из которого видно, что абсолютная
спектраль­ная характеристика ФД на
основе Si
с
понижением температуры понижается с
одновременным смещением максимума в
коротковолновую область.

На
рис. 2.14 приведены спектральные
характеристики неохлаждаемых ФД на
основе InAs,
GaAs,
Si,
Ge
и
охлаждаемого ФД на основе InSb.
Инте­гральная
чувствительность кремниевых ФД лежит
в пределах 3 — 20 мА/лм, германиевых — в
пределах 15 — 25 мА/лм.

Рис.
2.14. Спектральные характеристики
охлаждаемых ФД из InSb
(а),
неохлаждаемых из InAs
(б),
GaAs;
Si
и
Ge
(в)

Энергетическая
характеристика, шумы и обнаружительная
способность ФД.
Энергетическая характеристика ФД в
диодном режиме линейна в широ­ких
пределах. В фотогальваническом —
нелинейна, но диапазон изменения сигнала
велик. Линейность энергетической
характеристики в фотогальвани­ческом
режиме наблюдается только при условии

.

Значение
потока излучения, для которого сохраняется
линейность энер­гетической характеристики
в фотогальваническом режиме [18],

при

,

где

— постоянный коэффициент, зависящий
от материала ФД(для Ge
).

Так
как сопротивление
р
— n
—
перехода

меняется
в зависимости от
,
невозможно подобрать оптимальное для
всех случаев сопротивление нагрузки
.
Для случая

с погрешностью 3 — 4% можно считать
оптимальным сопротивление нагрузки

.

При
работе ФД в диодном режиме с немодулированными
потоками излуче­ния основным фактором,
ограничивающим его обнаружительную
способность, является обратный темновой
ток источника питания, значение которого
при комнатной температуре для разных
типов ФД колеблется от единиц до десятков
микроампер. Темновой ток германиевых
ФД при изменении темпе­ратуры от 20 до
50°С меняется в три — пять раз (рис. 2.15,
а),
изменяется от влажности и давления, что
не наблюдается у кремниевых ФД. Кроме
того, достоинством кремниевых ФД является
также возможность их работы с обратными
напряжениями в сотни вольт, что недопустимо
для германие­вых ФД.

43

Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]

• #
• #
• #
• #
• #
• #
• #
• #
• #
• #
• #

Фотодиодами называют обычные полупроводниковые диоды, но преобразовывающие свет в электричество. Это те же солнечные батареи, а также элементы, реагирующие на освещенность в разнообразных реле, датчиках, микросхемах, а особенно в оптоволоконных системах, оборудовании с привязкой к свету (УФ, ИК), его интенсивности. В этих же сферах используются светодиоды, фототранзисторы, фоторезисторы, но их и чертежи для них следует отличать. Опишем, что такое фотодиод, как функционирует, типы, его составляющие, как включается в сборках и на платах приборов, а также опишем схемы с данными радиодеталями.

Понятие фотодиода

Фотодиод, ФД — это полупроводниковая деталь, тот же диод, как и он пропускает ток в одну сторону, с p-n (p-i-n) переходом, но из материала, который меняет свои качества при влиянии оптического излучения, инициируя процессы, создающие электроток.

Если свет полностью отсутствует, не падает на такую радиодеталь, то она в спокойном состоянии, в равновесии, имеет качества аналогичные простому диоду.

Если же на чувствительный участок попадает УФ или ИК-излучение, то элемент начинает реагировать, преобразовывать этот поток в электричество.

Надо отличать разные радиодетали с приставкой «фото»:

• рассматриваемый нами фотодиод. Кратко выразить суть «фото» или «опто», «гальванического» (такие названия применяют реже) диода, которая сразу же отличит его, можно одним предложением: деталь преобразует свет в ток;
• фототранзисторы. «Два в одном», это объединенные одним корпусом фотоэлемент и транзистор, который открывается от количества подаваемого света. То есть, если на рассмотренных ниже нами схемах эти элементы разнесены, то в данном случае они в одной опрессовке. Вместо связки отдельных указанных деталей можно применить такую цельную запчасть, если она подходит по параметрам;
• фоторезисторы. Меняют сопротивление (тут это ключевой параметр) в зависимости от уровня освещенности.

Как видим, «фото» радиодетали можно применять для очень схожих, в некоторых случаях аналогичных целей (например, датчики, реле), но схемы будут разными с учетом отличий принципа работы каждого типа.

Обозначение на схемах разных элементов надо также знать. Фотодетектор имеет две стрелки, направленные к нему, и в такой графике есть логика: изделие воспринимает излучение.

Светодиод часто сотрудничает в схемах с фотодиодом. Первый инициирует сработку второго: его ставят напротив, и когда включают, поток света падает на первый элемент, активизирует его, а тот подает сигнал исполнительному узлу. Такой принцип применен для пультов ДУ, разнообразных приемников ИК-сигналов, а также для оптических (лазерных) сигнализаций, активируемых, если злоумышленником пересекается световой поток.

Итак, фотоэлемент преобразует свет, попадающий на его чувствительный сегмент, в электрозаряд. Такой процесс происходит, из-за возникновения особых процессов при движении частичек-транспортировщиков заряда на атомном уровне при облучении p-n зоны. Данное явление обуславливается изменениями свойств применяемых материалов (полупроводников).

Если на фоторезисторах меняется именно проводимость при движении транспортировщиков заряда, то на фотодиодах появляется ток на сегментах смыкания p-n переходов — в этом их отличие.

Структура

Обычный светодиод имеет такую же структуру, как и «фото», но у последнего есть окошечко, чтобы свет попадал на воспринимающую его часть.

Фотодиод схема структуры:

Принципы работы фотодиодов

Постараемся максимально понятно, простыми словами, описать принцип работы, свойства фотодиода, как он функционирует, как движутся электрочастички и взаимодействуют с p-n участками:

1. На рисунке внизу полупроводник: слева p-вариант, справа n. На первом — количество «дырок» (они же — положительно заряженные электроны) избыточное, на втором — чрезмерное число свободных электронов.
2. Возникает диффузия — дырки проникают на сегмент n, электроны — на p. Оставшиеся частички проходят, образуя запирающий слой, препятствующий перемещению первых и вторых.
3. Если подается напряжение: слева «+», справа «−», то потечет ток, поскольку запирающая прослойка будет преодолеваться. При подаче напряжения наоборот данный слой станет большим, значение тока будет очень мало, приблизится или сравняется с нулем.
4. Светочувствительная локация у фотоэлемента — n. Если данный сегмент затемнен, то его поведение аналогично обычному диоду. Когда туда попадает свет или электромагнитные волны, то электроны выбиваются из внешних слоев атомов. Их число и дырок (вместе это фотоносители) увеличивается, частички диффундируют в разные стороны (к контактам детали — аноду, катоду). На p-n переходе происходит пропускание дырок, но электроны задерживаются. Появляется разность потенциалов, электрический ток.

Так выглядит диод в спокойном состоянии:

Более сложное объяснение:

1. Излучение направлено перпендикулярно к локации p-n. Энергия, при которой вбираются фотоны становится больше ширины запрещенной зоны, происходит образование электронно-дырочных пар — фотоносителей;
2. При проникновении фототранспортировщиков на n-область, большинство их (не все) не успевают распасться на составляющие и оказываются близко к границе p-n области, там разделяются электрополем;
3. При описанном процессе дырки оказываются на p-сегменте, электроны же не могут проникнуть через поле, обволакивающее переход, поэтом скапливаются около n- области и у края перехода.
4. Частички двигаются каждая к своему электроду, таким образом, возникает ток, его течение через переход полностью зависимо от движения дырок, такой его вариант (в котором участвуют фотоносители) называется током дрейфа или фототоком.

Предельно кратко выразить как фотодиодом вырабатывается ток можно так. Следствием концентрации дырок, электронов на p и n локациях соответственно является образование разности потенциалов. Это же явление — электродвижущая сила, создающая обратный ток, катод⇒анод, а во внешней цепи будет наоборот. Это и есть солнечная (гелио) электрическая панель (батарея).

Режимы фотодиодов

Применение, разновидности фотодиода имеют свои нюансы в зависимости от режима, для которого он используется.

Есть два основных режима по методу использования процесса преобразования излучения в ток:

• фотогальванический (генераторный) — это те же солнечные батареи. Маленькие используются для калькуляторов, автономных светильников и подобного. Большие — для автономных систем обеспечения электричеством домов, машин и прочего. Это источники питания;
• фотодиодный (преобразовательный). С внешним обратным напряжением. Для управления разными приборами. Например, для освещения с автовыключением после восхода солнца. При отсутствии излучения элемент являет собой обычный диод, пропускает ток, но днем запирает ход.

В режиме преобразователя деталь выполняет роль ключа, регулируемого светом, для чего ее подсоединяют на цепь в прямом смещении — катодом к «+», анодом к «−». В темноте там только обратный, темновой, ток (Iобрт, единицы и десятки мкА). При свете к таковому приплюсовывается фототок, зависящий только от интенсивности излучения (десятки мкА), чем сильнее излучение, тем он мощнее.

Фототок исчисляется по формуле: Iф=Sинт×Ф. Где первая составляющая — это интегральная чувствительность, вторая — световой поток.

Как отличаются два режима фотодиодов

При преобразовательном режиме происходит смещение диода в обратном направлении напряжением. Фототок, появляющийся при освещенности, — это одновременно и функция мощности светового потока. При генераторном — деталь создает фотоЭДС. Иными словами, при попадании излучения на p-n переход на выходе элемента появляется напряжение пропорциональное интенсивности потока.

Фотодиодный (преобразовательный) алгоритм работы чаще применяется для оперативного запитывания приборов. Его достоинства: быстродействие выше, большая чувствительность к оптическому излучению, динамический диапазон шире. Но есть значительный недостаток — возникает шумовой ток, текущий через нагрузку. Звуковые эффекты уменьшают охлаждением детали до −10° C, но это затратно.  Иногда из-за этого при потребности отсутствии шума отдают предпочтение гальваническому (фотовольтаическому) алгоритму работы

При использовании преобразовательного алгоритма источник питания подсоединяется с обратной полярностью, тут назначение фотодетектора — выполнение роли сенсора освещенности.

Характеристики фотодиодов для выбора

Параметры фотодиода можно найти в их спецификации в сети. Рассмотрим, по каким позициям подбираются детали. Следует сказать, что для несложных целей (реле освещенности, ИК-приемник) указанные ниже характеристики можно не брать во внимание, достаточно купить рекомендованное изделие для конкретной сборки.

Вольтамперные качества, определяющие изменения значений светового потока согласно меняющемуся напряжению при стабильном потоке излучения и темновом токе. Ниже стандартная диаграмма ВАХ фотодиода.

Спектральные качества (чувствительность). Отображают как протяженность волны света, угол падения лучей меняют характеристики фототока на разных полупроводниках.

Чувствительность может измеряться при разных параметрах света:

Световая или энергетическая характеристика. Объяснена на рисунке ниже:

Временная постоянная. Период, за который происходит реагирование тока на увеличение/уменьшение затемнения, освещенности на 63 % от установленной величины.

Нижний предел чувствительности. Минимум интенсивности света для возникновения реакции фотодиода.

Темновое сопротивление. Характеризует состояние полупроводника при отсутствии света, это вольт-амперная характеристика при отсутствии излучения.

Инерционность:

Указанные выше основные характеристики используют для подбора фотодиодов к параметрам нагрузки:

Варианты, типы фотодетекторов

Инфракрасный фотодиод выполнен в черном корпусе, реагирует только на ИК-излучение. Темный цвет линзы — это подобие фильтрующей тонировки, чтобы не срабатывать на иные спектры.

У фотодетекторов есть диапазон частот, тут она больше на порядки, до 10 МГц (намного выше, чем у фоторезисторов), что обеспечивает отличное быстродействие. У вариантов p-i-n и с барьером Шоттки эта цифра 100 МГц–1ГГц, у лавинных — 1–10 ГГц.

Типы фотодиодов по принципу работы, по вариантам комбинации, размещения слоев, материалов рассмотрим ниже.

Фотодиод p-i-n

Элементы типа p-i-n широко распространены для волоконно-оптических систем связи — они преобразуют свет в электросигналы, преобразовывающиеся затем в информацию (видео, звуковая и прочие)

Прослойки p и n изготовляют с применением легирования: в материал полупроводника добавляют усиливающие его примеси. Если в обозначении такой детали есть +, то это свидетельствует о повышенном содержании добавок.

Средний сегмент — часть «i» — это проводник «n», но слаболегированный. Если на него подается обратное напряжение, то там образуется обедненная локация (дырок/электронов становится меньше).

Сопротивление на i-сегменте растет, намного превышает таковое на р+ и n+. Итог указанного процесса: электрополе сосредотачивается в i-области, фотон, поглощаемый там, создает пару: электрон/дырка. Мощное поле на i-участке мгновенно распределяет их на электроды: дырку поглощает катод, электрон — анод. Так создается электроток.

Эффективность p-i-n фотодиодов чрезвычайно высокая, так как их частота может достигать 1010 Гц, что гарантирует передачу за 1 секунду терабайтов данных. У таких деталей i-участок намного шире, чем p+ и n+ для того, чтобы фотоны осваивались бы больше именно на этом сегменте.

Лавинные

В волоконно-оптических технологиях кроме p-i-n типов рассматриваемых деталей используются особые виды — лавинные фотодетекторы (ЛФД), их отличие — дополнительный p-участок.

Из-за укрепляющих добавок более высокое сопротивление у p-слоя, соответственно, наибольшее понижение напряжения на нем. Фотон, оказываясь в светосенситивном i-сегменте, вырывает оттуда электрон, устремляющийся к аноду, дырка идет к катоду.

Электрон на своем маршруте оказывается на локации большого напряжения p-слоя, тут он резко ускоряется, что позволяет выбивать с оболочек атомы p-участков иные такие же частицы. Затем новообразовавшиеся свободные electron делают то же — выбивают из валентных сегментов дополнительные их аналоги. Явление растет лавинообразно.

На изображении визуализировано резкий всплеск движущей электросилы на p-слое. Ток первичный, появившийся в i-слое, растет лавиной на p-участке. Повышение достигает несколько сотен раз, но если оно слишком большое, то создает шумы, увеличивающиеся быстрее импульса. Оптимальное значение коэффициента 30–100.

С барьером Шоттки

В данном типе элементов создается несколько пленок, то есть особая структура, позволяющая избегнуть инжекции неосновных носителей. Такие детали используют движение только основных транспортировщиков. Плюс в том, что нет медленных процессов, подпадающих под влияние явлений накопления, рассасывания второстепенных носителей на базе диода. Плюсы: инерционность, сроки перезарядки ничтожные, первая обусловлена только временем прохода носителей через области пространственного заряда.

Указанные выше способности позволяют применять оптодиоды при СВЧ модуляциях излучений.

Гетероструктурные

Собираются из 2 полупроводников с разным размером запрещенного сегмента, гетерогенным именуют участок между ними. Особым подбором материалов создают устройство, охватывающее (воспринимающее) полную протяженность волн. Минус такого изделия — затратность изготовления.

Проверка фотодиода мультиметром

Рассмотрим, как проверить мультиметром фотодетекторы. Тестером замеряют значения сопротивления (обратного и прямого) в процессе освещения/затемнения диода. Мультиметр (или омметр) переводят на отметку 200 кОм.

Иногда встречается характерный дефект — хаотическое изменение тока («ползучесть»). Для обнаружения неполадки собирают простую схему (смотреть рисунок ниже) и замеряют величину обратного тока на протяжении нескольких минут. Если ток неизменный, то деталь рабочая. Проверять можно запчасть на плате, но возможны погрешности, поэтому всегда рекомендована выпайка.

Схемы с фотодиодами, где используются и примеры сборок

Фотодиоды применяются:

• для достаточно узкой специфической сферы — для волоконно-оптических систем передачи данных (ВОСП, ВОЛС). С этой областью сталкиваются не так часто даже электронщики. Именно тут особо актуальные рассмотренные нами вкратце характеристики (ВАХ, чувствительность и прочее) для расчета фотодиодных конструкций.
• солнечные батареи. Такие изделия подключаются по обычным схемам по инструкции данной продукции;
• оптопары, оптроны, реагирующие на свет сигнализации, разнообразные реле, автоматика, датчики, а также приемники ИК-излучения (пульты ДУ, подобные приборы управления).

Основы схем с фотодиодами

Схема включения для каждого из двух режимов имеет отличия. Ниже типовой чертеж подсоединения устройства как преобразователя. Обратим внимание: подключен с обратным направлением относительно источника питания.

Как генератор. При поступлении света на выводах появляется напряжение, токи короткого замыкания в данном режиме равны десяткам ампер, что напоминает работу гелиобатарей, но тут мощность небольшая.

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

Схема простого фотодиодного реле

Сборка с фотодетектором 320 (очень популярная спецификация). Как и другую такую деталь, его можно протестировать мультиметром, узнать, где анод/катод. При этом значения тестера разняться, если диод затемнять.

Если фотодиод работает как датчик, реле, элемент ДУ, а это большинство бытовых приборов, то он включается в обратном направлении: катод к «+», анод — к «−». («фоторезисторное» подсоединение). В затененности обратное сопр. элемента очень высокое, при большем излучении оно понижается. Такую особенность применяют для управления оснащением.

На рис. выше простое реле:

• VD1 — фотодиод и к нему R1 — переменник. Сопр. первого уменьшается с понижением интенсивности света;
• VT1 — транзистор. Напряжение на его базе растет, если подсветить, и он в определенной точке периода подачи света откроется, это же случится с VT2;
• на обмотку расцепителя K1 после указанных выше процессов поступит ток — узел переключится. Если поместить деталь в тень, то на VT1 понизится напряжение, произойдет запирание транзисторов, контакты разомкнутся, реле деактивируется.

R1 является подстроечником, им настраивается сенситивность фотореле, чтобы была активация только от фонарика. Такое реле можно применять как простую систему ДУ, а подсветка будет работать как пульт.

Составляющие схемы простые и доступные:

• фотоэлемент 320. Можно также взять другие модели: 263. Перед установкой проверяют где анод/катод. Применяют мультиметр процедура аналогичная как для простых диодов. А также не лишним будет убедиться в реакции диода на свет;
• транзисторы КТ3102 и 814;
• э/м реле WJ118-1С. Можно взять другое, но рекомендовано, чтобы обмотка была от 200 Om и для 10 — 15V.

Как работать со схемой. После сборки подвиньте ручку переменника R1, чтобы установилось макс. сопр. Поместите плату вдали от прямого света. При сборке надо не перепутать полярность. Подсоедините питание (также надо соблюсти предыдущую рекомендацию). На реле не должно быть сработки, щелчка. Если это произошло, поверните селектор R1, чтобы оно выключилось. Теперь, фонариком можно поэкспериментировать: освещать и наблюдать, как будет происходить включение реле.

Схема дистанционного выключателя

Выше отображен переключатель, управляемый маленьким фонариком, лазером. Использовано 2 фотодиода: для вкл. надо его направить на VD2, для выкл. — на VD1. Сенситивность настраивается переменниками R1 и 2. На микросхему D1 (K561ЛА7) установили RS-триггер для вкл./выкл. реле.

При подсвечивании VD2, его сопр. понижается, а напряжение на вх. D1.2 вырастет до степени логической единицы. На вых. D1.2 возникнет 0, триггер на D1.3 — D1.4 перейдет на состояние, когда на вых. D1.4 будет логическая единица. Она же и отопрет VT1, ток потечет на реле. При отсутствии освещенности триггер так и остается, расцепитель будет активирован.

Все работающие подобные сборки фотореле имеют схожий алгоритм. Для выключения надо осветить VD1: изменится реакция триггера, на вых. D1.3 будет 0. Ключ VT1 запрется, реле деактивируется и так останется при исчезновении света. Итак: для сработки надо посветить на VD2, для выкл. — на VD1. Зазор между диодами — 5 см, чего достаточно для контроля лазерным указателем.

Наладка состоит только из выставления чувствительности фотоэлементов подстроечниками R1 и 2. Такой переключатель надо размещать так, чтобы не было значительных перепадов интенсивности излучения, прямых лучей на линзах. Фонарики действуют с 2–3 м. Для лазерных указателей ночью при настройке макс. чувствительности — 20–30 м, днем эта цифра будет меньшей, так как выставляется меньшая сенситивность

В рассматриваемом примере реле и диоды аналогичны как в чертеже из предыдущего раздела. Микроконтроллеры: К561ЛА7 или 1561ЛА7, 176ЛА7. Выводы КТ815 располагаются как у КТ814.

Еще чертежи фотореле

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

В сборке ниже можно применить вместо фоторезистора фотодиод:

Простое фотореле для включения света при наступлении темной поры суток:

Робот, убегающий от света

Робот из корпуса компьютерной мышки, уезжающий в затененные локации:

Управляется робот фонариком:

Электронная мышеловка на фотодиодах

Элементы:

• любой ИК-фотодиод;
• электромагнит. Можно взять из б/у бытовых приборов или сделать катушку самому (инструкции есть в избытке в сети);
• КТ 3107 (транзистор) обеспечивает гальваническому диоду чувствительность;
• КТ818 ставим, потому что электромагнит достаточно мощная нагрузка (для нашей ситуации его пол ампера это много);
• резистор. Без него схема будет реагировать даже на простой свет.

Процесс изготовления: собираем корпус, диоды (фото и свето) напротив друг друга, дальше от входа (при пересечении потока света будет сработка), чтобы между ними могла пройти мышь. Над входом магнит с решетчатой дверкой. В схеме также есть источник питания — «крона» 9 В. Использован стандартный принцип: светодиод подает на фотодиод излучение, который воспринимает свет и дает сигнал на электромагнит, закрывающий вход мышеловки.

Схемы с фотодиодами на Arduino

Есть также множество сборок разнообразных реле, ИК-приемников на базе микроконтроллера Arduino.

Приемник ИК-сигнала:

Простые пульты управления:

Видео по теме

A photodiode is a type of photodetector capable of converting light into either current or voltage, depending upon the mode of operation.

Photodiodes are similar to regular semiconductor diodes except that they may be either exposed (to detect vacuum UV or X-rays) or packaged with a window or optical fibre connection to allow light to reach the sensitive part of the device. Many diodes designed for use specifically as a photodiode will also use a PIN junction rather than the typical PN junction.

Polarity[]

Some photodiodes will look like the picture to the right, that is, similar to a light emitting diode. They will have two leads, or wires, coming from the bottom. The shorter end of the two is the cathode, while the longer end is the anode. See below for a schematic drawing of the anode and cathode side. Under forward bias, current will pass from the anode to the cathode, basically following the arrow. Photocurrent flows in the opposite direction.

Principle of operation[]

A photodiode is a PN junction or PIN structure. When a photon of sufficient energy strikes the diode, it excites an electron thereby creating a mobile electron and a positively charged electron hole. If the absorption occurs in the junction’s depletion region, or one diffusion length away from it, these carriers are swept from the junction by the built-in field of the depletion region. Thus holes move toward the anode, and electrons toward the cathode, and a photocurrent is produced.

Photovoltaic mode[]

Maybe When used in zero bias or photovoltaic mode, the flow of photocurrent out of the device is restricted and a voltage builds up. The diode becomes forward biased and «dark current» begins to flow across the junction in the direction opposite to the photocurrent. This mode is responsible for the photovoltaic effect, which is the basis for solar cells—in fact, a solar cell is just an array of large area photodiodes.

Photoconductive mode[]

In this mode the diode is often (but not always) reverse biased. This increases the width of the depletion layer, which decreases the junction’s capacitance resulting in faster response times. The reverse bias induces only a small amount of current (known as saturation or back current) along its direction while the photocurrent remains virtually the same. The photocurrent is linearly proportional to the illuminance.[1]

Although this mode is faster, the photovoltaic mode tends to exhibit less electronic noise.Template:Fact (The leakage current of a good PIN diode is so low – < 1nA – that the Johnson–Nyquist noise of the load resistance in a typical circuit often dominates.)

Other modes of operation[]

Avalanche photodiodes have a similar structure to regular photodiodes, but they are operated with much higher reverse bias. This allows each photo-generated carrier to be multiplied by avalanche breakdown, resulting in internal gain within the photodiode, which increases the effective responsivity of the device.

Phototransistors also consist of a photodiode with internal gain. A phototransistor is in essence nothing more than a bipolar transistor that is encased in a transparent case so that light can reach the base-collector junction. The electrons that are generated by photons in the base-collector junction are injected into the base, and this photodiode current is amplified by the transistor’s current gain β (or h_fe). Note that while phototransistors have a higher responsivity for light they are not able to detect low levels of light any better than photodiodes.Template:Fact Phototransistors also have slower response times.

Materials[]

The material used to make a photodiode is critical to defining its properties, because only photons with sufficient energy to excite electrons across the material’s bandgap will produce significant photocurrents.

Materials commonly used to produce photodiodes include:

Because of their greater bandgap, silicon-based photodiodes generate less noise than germanium-based photodiodes, but germanium photodiodes must be used for wavelengths longer than approximately 1 µm.

Since transistors and ICs are made of semiconductors, and contain P-N junctions, almost every active component is potentially a photodiode. Many components, especially those sensitive to small currents, will not work correctly if illuminated, due to the induced photocurrents. In most components this is not desired, so they are placed in an opaque housing. Since housings are not completely opaque to X-rays or other high energy radiation, these can still cause many ICs to malfunction due to induced photo-currents.

Features[]

Critical performance parameters of a photodiode include:

responsivity

The ratio of generated photocurrent to incident light power, typically expressed in A/W when used in photoconductive mode. The responsivity may also be expressed as a quantum efficiency, or the ratio of the number of photogenerated carriers to incident photons and thus a unitless quantity.

dark current

The current through the photodiode in the absence of light, when it is operated in photoconductive mode. The dark current includes photocurrent generated by background radiation and the saturation current of the semiconductor junction. Dark current must be accounted for by calibration if a photodiode is used to make an accurate optical power measurement, and it is also a source of noise when a photodiode is used in an optical communication system.

noise-equivalent power

(NEP) The minimum input optical power to generate photocurrent, equal to the rms noise current in a 1 hertz bandwidth. The related characteristic detectivity (D) is the inverse of NEP, 1/NEP; and the specific detectivity () is the detectivity normalized to the area (A) of the photodetector, . The NEP is roughly the minimum detectable input power of a photodiode.

When a photodiode is used in an optical communication system, these parameters contribute to the sensitivity of the optical receiver, which is the minimum input power required for the receiver to achieve a specified bit error ratio.

Applications[]

File:Photodiode symbol.svg

P-N photodiodes are used in similar applications to other photodetectors, such as photoconductors, charge-coupled devices, and photomultiplier tubes.

Photodiodes are used in consumer electronics devices such as compact disc players, smoke detectors, and the receivers for remote controls in VCRs and televisions.

In other consumer items such as camera light meters, clock radios (the ones that dim the display when it’s dark) and street lights, photoconductors are often used rather than photodiodes, although in principle either could be used.

Photodiodes are often used for accurate measurement of light intensity in science and industry. They generally have a better, more linear response than photoconductors.

They are also widely used in various medical applications, such as detectors for computed tomography (coupled with scintillators) or instruments to analyze samples (immunoassay). They are also used in blood gas monitors.

PIN diodes are much faster and more sensitive than ordinary p-n junction diodes, and hence are often used for optical communications and in lighting regulation.

P-N photodiodes are not used to measure extremely low light intensities. Instead, if high sensitivity is needed, avalanche photodiodes, intensified charge-coupled devices or photomultiplier tubes are used for applications such as astronomy, spectroscopy, night vision equipment and laser rangefinding.

Comparison with photomultipliers[]

Advantages compared to photomultipliers:

1. Excellent linearity of output current as a function of incident light
2. Spectral response from 190 nm to 1100 nm (silicon), longer wavelengths with other semiconductor materials
3. Low noise
4. Ruggedized to mechanical stress
5. Low cost
6. Compact and light weight
7. Long lifetime
8. High quantum efficiency, typically 80%
9. No high voltage required

Disadvantages compared to photomultipliers:

1. Small area
2. No internal gain (except avalanche photodiodes, but their gain is typically 10²–10³ compared to up to 10⁸ for the photomultiplier)
3. Much lower overall sensitivity
4. Photon counting only possible with specially designed, usually cooled photodiodes, with special electronic circuits
5. Response time for many designs is slower

P-N vs. P-I-N Photodiodes[]

1. Due to the intrinsic layer, a PIN photodiode must be reverse biased (Vr). The Vr increases the depletion region allowing a larger volume for electron-hole pair production, and reduces the capacitance thereby increasing the bandwidth.
2. The Vr also introduces noise current, which reduces the S/N ratio. Therefore, a reverse bias is recommended for higher bandwidth applications and/or applications where a wide dynamic range is required.
3. A PN photodiode is more suitable for lower light applications because it allows for unbiased operation.

Photodiode array[]

Hundreds or thousands (up to 2048) photodiodes of typical sensitive area 0.025mmx1mm each arranged as a one-dimensional array, which can be used as a position sensor. One advantage of photodiode arrays (PDAs) is that they allow for high speed parallel read out since the driving electronics may not be built in like a traditional CMOS or CCD sensor.

See also[]

• Electronics
  • Band gap
  • Infrared
  • Optoelectronics
  • Opto-isolator
  • Semiconductor device
  • Solar cell
  • Avalanche photodiode
  • Transducer
• Light meter
  • Ambient-light meter

References[]

Portions of this article are adapted from Federal Standard 1037C and from the FAA Glossary of Optical Communications Terms

Template:FS1037C

• Gowar, John, Optical Communication Systems, 2 ed., Prentice-Hall, Hempstead UK, 1993 (ISBN 0-13-638727-6)

External links[]

• Technical Information Hamamatsu Photonics
• Using the Photodiode to convert the PC to a Light Intensity Logger
• X-Ray Imaging Group, University of Waterloo
• VISOR lab, York University
• Epigap
• Use of photodetectors in lighting systems Principles and techniques of integrating photodiodes into regulation lighting systems
• OSI PIN Photodiode FAQ Page
• Fermionics Opto-Technology information about InGaAs Photodiodes
• Design Fundamentals for Phototransistor Circuits
• Working principles of photodiodes

A photodiode is a type of photodetector capable of converting light into either current or voltage, depending upon the mode of operation.

Photodiodes are similar to regular semiconductor diodes except that they may be either exposed (to detect vacuum UV or X-rays) or packaged with a window or optical fibre connection to allow light to reach the sensitive part of the device. Many diodes designed for use specifically as a photodiode will also use a PIN junction rather than the typical PN junction.

Polarity[]

Some photodiodes will look like the picture to the right, that is, similar to a light emitting diode. They will have two leads, or wires, coming from the bottom. The shorter end of the two is the cathode, while the longer end is the anode. See below for a schematic drawing of the anode and cathode side. Under forward bias, current will pass from the anode to the cathode, basically following the arrow. Photocurrent flows in the opposite direction.

Principle of operation[]

A photodiode is a PN junction or PIN structure. When a photon of sufficient energy strikes the diode, it excites an electron thereby creating a mobile electron and a positively charged electron hole. If the absorption occurs in the junction’s depletion region, or one diffusion length away from it, these carriers are swept from the junction by the built-in field of the depletion region. Thus holes move toward the anode, and electrons toward the cathode, and a photocurrent is produced.

Photovoltaic mode[]

Maybe When used in zero bias or photovoltaic mode, the flow of photocurrent out of the device is restricted and a voltage builds up. The diode becomes forward biased and «dark current» begins to flow across the junction in the direction opposite to the photocurrent. This mode is responsible for the photovoltaic effect, which is the basis for solar cells—in fact, a solar cell is just an array of large area photodiodes.

Photoconductive mode[]

In this mode the diode is often (but not always) reverse biased. This increases the width of the depletion layer, which decreases the junction’s capacitance resulting in faster response times. The reverse bias induces only a small amount of current (known as saturation or back current) along its direction while the photocurrent remains virtually the same. The photocurrent is linearly proportional to the illuminance.[1]

Although this mode is faster, the photovoltaic mode tends to exhibit less electronic noise.Template:Fact (The leakage current of a good PIN diode is so low – < 1nA – that the Johnson–Nyquist noise of the load resistance in a typical circuit often dominates.)

Other modes of operation[]

Avalanche photodiodes have a similar structure to regular photodiodes, but they are operated with much higher reverse bias. This allows each photo-generated carrier to be multiplied by avalanche breakdown, resulting in internal gain within the photodiode, which increases the effective responsivity of the device.

Phototransistors also consist of a photodiode with internal gain. A phototransistor is in essence nothing more than a bipolar transistor that is encased in a transparent case so that light can reach the base-collector junction. The electrons that are generated by photons in the base-collector junction are injected into the base, and this photodiode current is amplified by the transistor’s current gain β (or h_fe). Note that while phototransistors have a higher responsivity for light they are not able to detect low levels of light any better than photodiodes.Template:Fact Phototransistors also have slower response times.

Materials[]

The material used to make a photodiode is critical to defining its properties, because only photons with sufficient energy to excite electrons across the material’s bandgap will produce significant photocurrents.

Materials commonly used to produce photodiodes include:

Because of their greater bandgap, silicon-based photodiodes generate less noise than germanium-based photodiodes, but germanium photodiodes must be used for wavelengths longer than approximately 1 µm.

Since transistors and ICs are made of semiconductors, and contain P-N junctions, almost every active component is potentially a photodiode. Many components, especially those sensitive to small currents, will not work correctly if illuminated, due to the induced photocurrents. In most components this is not desired, so they are placed in an opaque housing. Since housings are not completely opaque to X-rays or other high energy radiation, these can still cause many ICs to malfunction due to induced photo-currents.

Features[]

Critical performance parameters of a photodiode include:

responsivity

The ratio of generated photocurrent to incident light power, typically expressed in A/W when used in photoconductive mode. The responsivity may also be expressed as a quantum efficiency, or the ratio of the number of photogenerated carriers to incident photons and thus a unitless quantity.

dark current

The current through the photodiode in the absence of light, when it is operated in photoconductive mode. The dark current includes photocurrent generated by background radiation and the saturation current of the semiconductor junction. Dark current must be accounted for by calibration if a photodiode is used to make an accurate optical power measurement, and it is also a source of noise when a photodiode is used in an optical communication system.

noise-equivalent power

(NEP) The minimum input optical power to generate photocurrent, equal to the rms noise current in a 1 hertz bandwidth. The related characteristic detectivity (D) is the inverse of NEP, 1/NEP; and the specific detectivity () is the detectivity normalized to the area (A) of the photodetector, . The NEP is roughly the minimum detectable input power of a photodiode.

When a photodiode is used in an optical communication system, these parameters contribute to the sensitivity of the optical receiver, which is the minimum input power required for the receiver to achieve a specified bit error ratio.

Applications[]

File:Photodiode symbol.svg

P-N photodiodes are used in similar applications to other photodetectors, such as photoconductors, charge-coupled devices, and photomultiplier tubes.

Photodiodes are used in consumer electronics devices such as compact disc players, smoke detectors, and the receivers for remote controls in VCRs and televisions.

In other consumer items such as camera light meters, clock radios (the ones that dim the display when it’s dark) and street lights, photoconductors are often used rather than photodiodes, although in principle either could be used.

Photodiodes are often used for accurate measurement of light intensity in science and industry. They generally have a better, more linear response than photoconductors.

They are also widely used in various medical applications, such as detectors for computed tomography (coupled with scintillators) or instruments to analyze samples (immunoassay). They are also used in blood gas monitors.

PIN diodes are much faster and more sensitive than ordinary p-n junction diodes, and hence are often used for optical communications and in lighting regulation.

P-N photodiodes are not used to measure extremely low light intensities. Instead, if high sensitivity is needed, avalanche photodiodes, intensified charge-coupled devices or photomultiplier tubes are used for applications such as astronomy, spectroscopy, night vision equipment and laser rangefinding.

Comparison with photomultipliers[]

Advantages compared to photomultipliers:

1. Excellent linearity of output current as a function of incident light
2. Spectral response from 190 nm to 1100 nm (silicon), longer wavelengths with other semiconductor materials
3. Low noise
4. Ruggedized to mechanical stress
5. Low cost
6. Compact and light weight
7. Long lifetime
8. High quantum efficiency, typically 80%
9. No high voltage required

Disadvantages compared to photomultipliers:

1. Small area
2. No internal gain (except avalanche photodiodes, but their gain is typically 10²–10³ compared to up to 10⁸ for the photomultiplier)
3. Much lower overall sensitivity
4. Photon counting only possible with specially designed, usually cooled photodiodes, with special electronic circuits
5. Response time for many designs is slower

P-N vs. P-I-N Photodiodes[]

1. Due to the intrinsic layer, a PIN photodiode must be reverse biased (Vr). The Vr increases the depletion region allowing a larger volume for electron-hole pair production, and reduces the capacitance thereby increasing the bandwidth.
2. The Vr also introduces noise current, which reduces the S/N ratio. Therefore, a reverse bias is recommended for higher bandwidth applications and/or applications where a wide dynamic range is required.
3. A PN photodiode is more suitable for lower light applications because it allows for unbiased operation.

Photodiode array[]

Hundreds or thousands (up to 2048) photodiodes of typical sensitive area 0.025mmx1mm each arranged as a one-dimensional array, which can be used as a position sensor. One advantage of photodiode arrays (PDAs) is that they allow for high speed parallel read out since the driving electronics may not be built in like a traditional CMOS or CCD sensor.

See also[]

• Electronics
  • Band gap
  • Infrared
  • Optoelectronics
  • Opto-isolator
  • Semiconductor device
  • Solar cell
  • Avalanche photodiode
  • Transducer
• Light meter
  • Ambient-light meter

References[]

Portions of this article are adapted from Federal Standard 1037C and from the FAA Glossary of Optical Communications Terms

Template:FS1037C

• Gowar, John, Optical Communication Systems, 2 ed., Prentice-Hall, Hempstead UK, 1993 (ISBN 0-13-638727-6)

External links[]

• Technical Information Hamamatsu Photonics
• Using the Photodiode to convert the PC to a Light Intensity Logger
• X-Ray Imaging Group, University of Waterloo
• VISOR lab, York University
• Epigap
• Use of photodetectors in lighting systems Principles and techniques of integrating photodiodes into regulation lighting systems
• OSI PIN Photodiode FAQ Page
• Fermionics Opto-Technology information about InGaAs Photodiodes
• Design Fundamentals for Phototransistor Circuits
• Working principles of photodiodes

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

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

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

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.

|Лекция — работа фотодиода|

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.

Режимы работы фотодиодов

В результате накопления дырок и электронов соответственно в р-слое и в n-слое, образуется разность потенциалов – электродвижущая сила, которая создает обратный ток, от катода к аноду. Во внешней цепи ток будет от анода к катоду. То есть имеем солнечную электрическую батарею. В зависимости от того, как используется эффект превращения света в электрический ток, фотодиоды делятся на:

• Фотогенераторы – всем известные солнечные панели, которые применяют для питания калькуляторов, различных приборов в космических аппаратах и многих других;
• Фотопреобразователи – служат для управления различными устройствами. Например, фонари уличного освещения выключаются автоматически после восхода солнца. Ночью, при отсутствии света, фотодиод ведет себя, как обычный диод, пропускает ток. Днем запирает.

Pin-фотодиод

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.

|Принцип работы фотодиода|

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:

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.

|Как работает фотодиод|