Fotodiode. Hovedkarakteristikker og parametere til fotodioder Hva er det elektriske returtapet til en fotodiode

Enkel fotodiode er en konvensjonell halvlederdiode, som gir mulighet for eksponering for optisk stråling ved p–n-krysset.

I en balansert tilstand, når det er 100 % ingen strålingsfluks, er bærerkonsentrasjonen, potensiell dispersjon og energibånddiagrammet til fotodioden 100 % i samsvar med den vanlige p-n-strukturen.

Når de utsettes for stråling i en retning vinkelrett på planet til p-n-krysset, som et resultat av absorpsjon av fotoner med en energi større enn bredden av den ulovlige sonen, vises elektron-hull-par i n-regionen. Disse elektronene og hullene kalles fotobærere.

Når fotobærere diffunderer dypt inn i n-regionen, har ikke flertallet av elektroner og hull tid til å rekombinere og nå grensen til p–n-krysset. Her deles fotobærerne av det elektroniske feltet til p–n-krysset, mens hullene beveger seg inn i p-området, og elektronene kan ikke overvinne overgangsfeltet og samler seg ved grensen til p–n-krysset og n-området. .

Dermed er strømmen gjennom p–n-krysset på grunn av driften av minoritetsbærere – hull. Driftsstrømmen til fotobærere kalles fotostrøm.

Fotobærere - hull lader p-regionen positivt i forhold til n-regionen, og fotobærere - elektroner - lader n-regionen negativt i forhold til p-regionen. Den resulterende potensialforskjellen kalles photoEMF Eph. Den genererte strømmen i fotodioden er omvendt, den er orientert fra katoden til anoden, og verdien er større, jo større belysningen er.

Fotodioder kan fungere i en av to moduser - uten en ekstern kilde til elektronisk energi (fotogeneratormodus) eller med en ekstern kilde til elektronisk energi (fotokonverteringsmodus).

Fotodioder som opererer i fotogeneratormodus brukes ofte som strømkilder som modifiserer energien til solstråling til elektronisk energi. De kalles solceller og er en del av solcellebatterier som brukes på romfartøy og satellitter.

Effektiviteten til silisiumsoldeler er ca 20 %, og for filmsoldeler kan den være betydelig høyere. De nødvendige tekniske parametrene til solceller er forholdet mellom utgangseffekten og massen og området som er okkupert solcellebatteri. Disse egenskapene oppnår verdier på henholdsvis 200 W/kg og 1 kW/m2.

Når fotodioden opererer i fotokonverteringsmodus, kobles strømkilden E til kretsen i blokkeringsretningen (fig. 1, a). De omvendte grenene til strømspenningskarakteristikkene til fotodioden brukes ved forskjellige belysningsnivåer (fig. 1, b).

Ris. 1. Kretsskjema for å slå på en fotodiode i fotokonverteringsmodus: a — svitsjekrets, b — strøm-spenningskarakteristikk for fotodioden.

Strømmen og spenningen over belastningsmotstanden Rн kan bestemmes grafisk fra krysspunktene for I-V-karakteristikkene til fotodioden og belastningsbåndet som tilsvarer motstanden til motstanden Rн. I fravær av belysning fungerer fotodioden i modusen til en konvensjonell diode. Mørkestrømmen for germaniumfotodioder er 10 - 30 µA, for silisiumfotodioder er den 1 - 3 µA.

Hvis en reversibel elektronnedbrytning brukes i fotodioder, ledsaget av en skredmultiplikasjon av ladningsbærere, som i halvlederzenerdioder, vil fotostrømmen, og derfor følsomheten, øke betydelig.

Følsomhet skredfotodioder kan være flere størrelsesordener større enn for konvensjonelle fotodioder (for germanium - 200 - 300 ganger, for silisium - 104 - 106 ganger).

Avalanche fotodioder er høyhastighets fotovoltaiske enheter, deres frekvensspekter kan nå 10 GHz. Ulempen med skredfotodioder er at de er flere høyeste nivå støy sammenlignet med konvensjonelle fotodioder.

Ris. 2. Kretsskjema for tilkobling av en fotomotstand (a), UGO (b), energi (c) og strøm-spenning (d) egenskaper til fotomotstanden.

I tillegg til fotodioder brukes fotomotstander (Figur 2), fototransistorer og fototyristorer, som bruker den interne fotoelektriske effekten. Deres tilsvarende ulempe er den høyeste treghet (grense driftsfrekvens fgr

Utformingen av en fototransistor ligner på en vanlig transistor, som har et vindu i huset som basen kan belyses gjennom. UGO fototransistor - en transistor med 2 piler rettet mot den.

Lysdioder og fotodioder brukes ofte i par. Samtidig er de plassert i ett hus på en slik måte at det lysfølsomme området til fotodioden er plassert på motsatt side av emitteringsområdet til LED-en. Halvlederenheter som bruker LED-fotodiodepar kalles optokoblere (fig. 3).

Ris. 3. Optokobler: 1 – LED, 2 – fotodiode

Inngangs- og utgangskretsene i slike enheter er ikke elektrisk koblet på noen måte, siden signalet overføres gjennom optisk stråling.

Driftsprinsippet til en fotodiode

En halvlederfotodiode er en halvlederdiode hvis reversstrøm avhenger av belysning.

Vanligvis brukes halvlederdioder med et pn-kryss som en fotodiode, som er omvendt forspent av en ekstern strømkilde. Når du absorberer lyskvanter inn р-n kryss e eller i områdene ved siden av det dannes nye ladningsbærere. Minoritetsladningsbærere som oppstår i områder ved siden av pn-krysset i en avstand som ikke overstiger diffusjonslengden, diffunderer inn i pn-krysset og passerer gjennom det under påvirkning av et elektrisk felt. Det vil si at reversstrømmen øker når den lyser. Absorpsjon av kvanter direkte i pn-krysset fører til lignende resultater. Mengden som reversstrømmen øker med kalles fotostrøm.

Kjennetegn på fotodioder

Egenskapene til en fotodiode kan karakteriseres av følgende egenskaper:

Strømspenningskarakteristikken til en fotodiode er avhengigheten av lysstrømmen ved en konstant lysfluks og den mørke strømmen på 1 t på spenning.

Lyskarakteristikken til en fotodiode bestemmes av fotostrømmens avhengighet av belysning. Når belysningen øker, øker fotostrømmen.

Den spektrale karakteristikken til en fotodiode er avhengigheten av fotostrømmen av bølgelengden til det innfallende lyset på fotodioden. Det bestemmes for lange bølgelengder av båndgapet, og ved korte bølgelengder av en stor absorpsjonshastighet og en økning i påvirkningen av overflaterekombinasjon av ladningsbærere med en reduksjon i bølgelengden til lyskvanter. Det vil si at kortbølgelengdegrensen for følsomhet avhenger av tykkelsen på basen og hastigheten på overflaterekombinasjonen. Plasseringen av maksimum i fotodiodens spektralkarakteristikk avhenger sterkt av graden av økning i absorpsjonskoeffisienten.

Tidskonstanten er tiden som fotostrømmen til fotodioden endres etter belysning eller etter mørklegging av fotodioden med e ganger (63%) i forhold til steady-state-verdien.

Mørk motstand er motstanden til fotodioden i fravær av belysning.

Integralfølsomheten bestemmes av formelen:

hvor 1 f er fotostrøm, F er belysning.

Treghet

Det er tre fysiske faktorer som påvirker treghet:

1. Tid for diffusjon eller drift av ikke-likevektsbærere gjennom basen t;

2. Tidspunkt for flyturen gjennom p-n-krysset t;

3. Ladetid for barriere beholdere p-s overgang, karakterisert ved tidskonstanten RC 6 ap.

Tykkelse r-n overgang, avhengig av omvendt spenning og konsentrasjonen av urenheter i basen, er vanligvis mindre enn 5 mikron, som betyr t - 0,1 ns. RC 6 ap bestemt av barriere kapasitet p-n overgang, avhengig av spenningen og motstanden til fotodiodebasen ved lav belastningsmotstand i den eksterne kretsen. Verdien av RC 6 ap er vanligvis flere nanosekunder.

Beregning av fotodiodeeffektivitet og effekt

Effektiviteten beregnes med formelen:

hvor R osv - lysstyrke; I - nåværende styrke;

U er spenningen over fotodioden.

Beregningen av fotodiodeeffekt er illustrert i fig. 2.12 og tabell 2.1.

Ris. 2.12. Avhengighet av fotodiodeeffekt på spenning og strøm

Den maksimale effekten til fotodioden tilsvarer det maksimale arealet til et gitt rektangel.

Tabell 2.1. Avhengighet av kraft på effektivitet

Anvendelse av fotodiode i oltoelektronikk

Fotodioden er et integrert element i mange komplekse optoelektroniske enheter:

Optoelektroniske integrerte kretser.

En fotodiode kan være raskere, men dens fotostrømforsterkning overstiger ikke enhet. Takket være tilgjengeligheten optisk kommunikasjon Optoelektroniske integrerte kretser har en rekke betydelige fordeler, nemlig: nesten ideell galvanisk isolasjon av kontrollkretser fra strømkretser samtidig som de opprettholder en sterk funksjonell forbindelse mellom dem.

Fotodetektorer med flere elementer.

Disse enhetene (scanistor, fotodiodematrise kontrollert av en MOS-transistor, lysfølsomme ladningskoblede enheter og andre) er blant de raskest utviklende og progressive elektroniske produktene. Et optoelektrisk "øye" basert på en fotodiode er i stand til å reagere ikke bare på lysstyrken-temporal, men også på de romlige egenskapene til et objekt, det vil si å oppfatte dets fulle visuelle bilde.

Antallet lysfølsomme celler i enheten er ganske stort, så i tillegg til alle problemene med en diskret fotodetektor (følsomhet, hastighet, spektralområde), må problemet med å lese informasjon også løses. Alle fotodetektorer med flere elementer er skannesystemer, det vil si enheter som gjør det mulig å analysere rommet som studeres ved å se det sekvensielt (element-for-element-dekomponering).

Hvordan oppstår bildeoppfatning?

Lysstyrkefordelingen til det observerte objektet konverteres til et optisk bilde og fokuseres på en lysfølsom overflate. Her blir lysenergi omdannet til elektrisk energi, og responsen til hvert element (strøm, ladning, spenning) er proporsjonal med belysningen. Lysstyrkemønsteret forvandles til et elektrisk relieff. Skannekretsen spør periodisk sekvensielt hvert element og leser informasjonen i det. Så ved utgangen av enheten mottar vi en sekvens med videopulser der det oppfattede bildet er kodet.

Når de lager fotodetektorer med flere elementer, streber de etter å sikre den beste ytelsen til konverterings- og skannefunksjoner. Optokoblere.

En optokobler er en optoelektronisk enhet der det er en kilde og en strålingsmottaker med en eller annen type optisk forbindelse mellom dem, strukturelt kombinert og plassert i ett hus. Det er ingen elektrisk (galvanisk) forbindelse mellom kontrollkretsen (strømmen som er liten, i størrelsesorden flere mA), der emitteren er tilkoblet, og eksekutivkretsen, der fotodetektoren fungerer, og kontrollinformasjon overføres gjennom lysstråling.

Denne egenskapen til et optoelektronisk par (og i noen typer optokoblere er det til og med flere optiske optokoblere som ikke er koblet til hverandre) viste seg å være uunnværlig i de elektroniske enhetene der det er nødvendig å eliminere så mye som mulig påvirkningen fra elektriske utgangskretser på inndata. For alle diskrete elementer (transistorer, tyristorer, mikrokretser som er svitsjeenheter eller mikrokretser med en utgang som tillater veksling av høyeffektbelastninger), er kontroll- og eksekutivkretsene elektrisk koblet til hverandre. Dette er ofte uakseptabelt ved bytte av høyspentbelastninger. I tillegg kommer tilbakemelding fører uunngåelig til ytterligere forstyrrelser.

Strukturelt er fotodetektoren vanligvis montert på bunnen av huset, og emitteren er montert på toppen. Gapet mellom emitteren og fotodetektoren er fylt med nedsenkingsmateriale - oftest utføres denne rollen av polymeroptisk lim. Dette materialet fungerer som en linse som fokuserer stråling på det følsomme laget av fotodetektoren. Nedsenkingsmaterialet er belagt på utsiden med en spesiell film som reflekterer lysstråler innover for å forhindre at stråling spres utenfor arbeidsområdet til fotodetektoren.

Rollen til emittere i optokoblere utføres vanligvis av lysdioder basert på galliumarsenid. Fotosensitive elementer i optokoblere kan være fotodioder (optokoblere i AOD...-serien), fototransistorer, fototrinistorer (optokoblere i AOU...-serien) og høyt integrerte fotorelékretser. I en diodeoptokobler, for eksempel, brukes en silisiumbasert fotodiode som et fotomottakerelement, og en infrarød emitterende diode fungerer som emitter. De maksimale spektrale egenskapene til diodestrålingen oppstår ved en bølgelengde på omtrent 1 mikron. Diodeoptokoblere brukes i fotodiode- og fotogeneratormodus.

Transistoroptokoblere (AOT-serien...) har noen fordeler fremfor diode. Kollektorstrømmen til den bipolare transistoren styres både optisk (ved å påvirke LED-en) og elektrisk via basiskretsen (i dette tilfellet er driften av fototransistoren i fravær av stråling fra kontroll-LED-en til optokobleren praktisk talt ikke forskjellig fra driften av en vanlig silisiumtransistor). For en felteffekttransistor utføres styringen gjennom portkretsen.

I tillegg kan fototransistoren fungere i svitsje- og forsterkningsmodus, og fotodioden kan kun fungere i svitsjemodus. Optokoblere med kompositttransistorer (for eksempel AOT1YUB) har høyest forsterkning (som en vanlig enhet på kompositt transistor), kan bytte spenning og strøm med tilstrekkelig store verdier og, når det gjelder disse parameterne, er dårligere enn tyristoroptokoblere og optoelektroniske releer av typen KR293KP2 - KR293KP4, som er tilpasset for å bytte høyspent- og høystrømkretser . I dag har nye optoelektroniske releer i K449- og K294-serien dukket opp i detaljhandelen. K449-serien tillater svitsjespenninger opp til 400 V ved strømmer opp til 150 mA. Slike mikrokretser i en firepinners kompakt DIP-4-pakke erstatter elektromagnetiske reléer med lav effekt og har mange fordeler fremfor releer (stille drift, pålitelighet, holdbarhet, fravær av mekaniske kontakter, bredt driftsspenningsområde). I tillegg forklares deres rimelige pris av det faktum at det ikke er nødvendig å bruke edle metaller (i releer dekker de bryterkontaktene).

I motstandsoptokoblere (for eksempel OEP-1) er emitterne elektriske mini-glødelamper, også plassert i ett hus.

Grafiske betegnelser for optokoblere i henhold til GOST er tildelt en konvensjonell kode - den latinske bokstaven U, etterfulgt av serienummeret til enheten i kretsen.

Kapittel 3 i boken beskriver instrumenter og enheter som illustrerer bruken av optokoblere.

Bruk av fotodetektorer

Enhver optoelektronisk enhet inneholder en fotodetektorenhet. Og i de fleste moderne optoelektroniske enheter danner fotodioden grunnlaget for fotodetektoren.

Sammenlignet med andre, mer komplekse fotodetektorer, har de den største stabiliteten av temperaturegenskaper og bedre ytelsesegenskaper.

Den største ulempen som vanligvis påpekes er mangelen på forsterkning. Men det er ganske konvensjonelt. I nesten alle optoelektroniske enheter opererer fotodetektoren på en eller annen tilsvarende elektronisk krets. Og å introdusere et forsterkningstrinn i det er mye enklere og mer hensiktsmessig enn å gi fotodetektoren forsterkningsfunksjoner som er uvanlige for den.

Høy informasjonskapasitet til den optiske kanalen, på grunn av det faktum at frekvensen av lysvibrasjoner (ca. 10 15 Hz) er 10 3 ... 10 4 ganger høyere enn i det mestrede radioområdet. Den lille bølgelengden til lysvibrasjoner sikrer en høy oppnåelig tetthet av informasjonsregistrering i optiske lagringsenheter (opptil 10 8 bits/cm 2).

Skarp retning (nøyaktighet) av lysstråling, på grunn av det faktum at vinkeldivergensen til strålen er proporsjonal med bølgelengden og kan være mindre enn ett minutt. Dette tillater konsentrert og lavtapsoverføring av elektrisk energi til ethvert område i rommet.

Mulighet for dobbel - tidsmessig og romlig - modulering av lysstrålen. Siden kilden og mottakeren i optoelektronikk ikke er elektrisk koblet til hverandre, og forbindelsen mellom dem bare utføres gjennom en lysstråle (elektrisk nøytrale fotoner), påvirker de ikke hverandre. Og derfor, i en optoelektronisk enhet, overføres informasjonsflyten i bare én retning - fra kilden til mottakeren. Kanalene som optisk stråling forplanter seg gjennom påvirker ikke hverandre og er praktisk talt ufølsomme for elektromagnetisk interferens, noe som bestemmer deres høye støyimmunitet.

En viktig egenskap ved fotodioder er deres høye ytelse. De kan operere ved frekvenser opptil flere MHz. vanligvis laget av germanium eller silisium.

Fotodioden er en potensiell bredbåndsmottaker. Dette bestemmer dens utbredte bruk og popularitet.

IR-spektrum

En infrarød emitterende diode (IR-diode) er en halvlederdiode som, når likestrøm flyter gjennom den, sender ut elektromagnetisk energi i det infrarøde området av spekteret.

I motsetning til strålingsspekteret som er synlig for det menneskelige øyet (som f.eks. produsert av en konvensjonell lysemitterende diode basert på galliumfosfid), kan ikke IR-stråling oppfattes av det menneskelige øyet, men registreres ved hjelp av spesielle enheter som er følsomme overfor dette strålingsspekteret. Blant de populære fotodeteksjonsdiodene i IR-spekteret er de lysfølsomme enhetene MDK-1, FD263-01 og lignende.

Spektralegenskapene til IR-emitterende dioder har et uttalt maksimum i bølgelengdeområdet 0,87...0,96 mikron. Strålingseffektiviteten og effektiviteten til disse enhetene er høyere enn for lysemitterende dioder.

Basert på IR-dioder (som inntar en viktig plass i elektronisk design som pulssendere i IR-spekteret), er fiberoptiske linjer (med fordel kjennetegnet ved deres hastighet og støyimmunitet), mangefasetterte elektroniske husholdningsenheter og, selvfølgelig, elektroniske sikkerhetsenheter. konstruert. Dette har sin fordel, fordi... IR-strålen er usynlig for det menneskelige øyet, og i noen tilfeller (hvis flere flerveis IR-stråler brukes) er det umulig å visuelt fastslå tilstedeværelsen av selve sikkerhetsenheten før den går i "alarm"-modus). Erfaring med produksjon og vedlikehold av sikkerhetssystemer basert på IR-emittere gjør at vi kan gi noen anbefalinger for å bestemme driftstilstanden til IR-emittere.

Hvis du ser nøye på den emitterende overflaten til en IR-diode (for eksempel AL147A, AL156A) når et kontrollsignal påføres den, vil du legge merke til en svak rød glød. Lysspekteret til denne gløden er nær fargen på øynene til albinodyr (rotter, hamstere, etc.). I mørket er IR-gløden enda mer uttalt. Det skal bemerkes at det å kikke inn i en enhet som sender ut IR-lysenergi over lang tid er uønsket fra et medisinsk synspunkt.

I tillegg til sikkerhetssystemer, brukes i dag IR-emitterende dioder i bilalarmnøkkelringer og ulike typer trådløse signalsendere over avstand. For eksempel, ved å koble et modulert lavfrekvent signal fra en forsterker til senderen, ved hjelp av en IR-mottaker på en viss avstand (avhengig av strålingseffekt og terreng) kan du også høre på lydinformasjon avstand. Denne metoden er mindre effektiv i dag, men er fortsatt et alternativ til en hjemmeradiotelefon. Den mest populære (i hverdagen) bruken av IR-emitterende dioder er fjernkontroll fjernkontroll ulike husholdningsapparater.

Som enhver radioamatør enkelt kan bekrefte ved å åpne fjernkontrolldekselet, elektronisk krets Denne enheten er ikke komplisert og kan gjentas uten problemer. I amatørradiodesign, hvorav noen er beskrevet i det tredje kapittelet i denne boken, elektroniske enheter med IR emitterende og mottakende enheter er mye enklere enn industrielle enheter.

Parametrene som bestemmer de statiske driftsmodusene til IR-dioder (forover og bakover maksimal tillatt spenning, foroverstrøm, etc.) ligner på parametrene til fotodioder. De viktigste spesifikke parametrene som de identifiseres med for IR-dioder er:

Strålingseffekt - P-emisjon - strålingsfluks av en viss spektral sammensetning som sendes ut av dioden. Karakteristikken til en diode som kilde til IR-stråling er watt-ampere-karakteristikken - avhengigheten av strålingseffekten i W (milliwatt) av likestrømmen som strømmer gjennom dioden. Strålingsmønsteret til en diode viser en reduksjon i strålingseffekt avhengig av vinkelen mellom strålingsretningen og enhetens optiske akse. Moderne IR-dioder skiller seg mellom å ha sterkt retningsbestemt stråling og spredt stråling.

Når du designer elektroniske komponenter, bør det tas i betraktning at overføringsområdet til IR-signalet avhenger direkte av helningsvinkelen (kombinasjonen av sender- og mottaksdelene av enheten) og kraften til IR-dioden. Når du bytter ut IR-dioder, er det nødvendig å ta hensyn til denne strålingseffektparameteren. Noen referansedata for innenlandske IR-dioder er gitt i tabellen. 2.2.

Data om utveksling av utenlandske og innenlandske enheter er gitt i vedlegget. I dag er de mest populære typene IR-dioder blant radioamatører enheter modellutvalg AL 156 og AL147. De er optimale når det gjelder allsidig bruk og kostnad.

Pulsstrålingseffekt - P emittert - amplituden til strålingsfluksen, målt for en gitt likestrømspuls gjennom dioden.

Bredden på strålingsspekteret er bølgelengdeintervallet der den spektrale strålingseffekttettheten er halvparten av maksimum.

Maksimal tillatt foroverpulsstrøm er 1 direkte (IR-dioder brukes hovedsakelig i pulserende driftsmodus).

Tabell 2.2. Infrarøde emitterende dioder

Stigetiden til strålingspulsen t Hap-emisjon er tidsintervallet der diodestrålingseffekten øker fra 10 til 100 % av maksimalverdien.

Pulsfalltidsparameteren t cnM 3 J 1 er lik den forrige.

Duty factor - Q - forholdet mellom perioden med pulsoscillasjoner og pulsvarigheten.

De elektroniske komponentene som er foreslått for repetisjon (kapittel 3 i denne boken) er basert på prinsippet om å sende og motta et modulert IR-signal. Men dette er ikke den eneste måten å bruke driftsprinsippet til en IR-diode. Slike opto-reléer kan også fungere i modus for å reagere på refleksjon av stråler (fotodetektoren er plassert ved siden av emitteren). Dette prinsippet er nedfelt i elektroniske komponenter som reagerer på tilnærmingen til ethvert objekt eller person til den kombinerte mottaks- og overføringsnoden, som også kan tjene som en sensor i sikkerhetssystemer.

Det er uendelig mange alternativer for å bruke IR-dioder og enheter basert på dem, og de er bare begrenset av effektiviteten til den kreative tilnærmingen til radioamatøren.

En fotodiode er en lysfølsom diode som bruker lysenergi til å skape en spenning. Mye brukt i husholdning og industri automatiske systemer kontroll, hvor bryteren er mengden innkommende lys. For eksempel å kontrollere graden av åpning av persienner i et smarthussystem basert på belysningsnivået

Når lys treffer en fotodiode, forårsaker energien fra lyset som treffer det fotosensitive materialet en spenning, som får elektroner til å bevege seg gjennom P-N-krysset. Det finnes to typer fotodioder: fotoelektriske og fotoledende.

Fotoledende dioder

Slike dioder brukes til å kontrollere elektriske kretser som tilføres potensial eksternt, det vil si fra en ekstern kilde.

De kan for eksempel kontrollere hvordan gatelys slås av og på, eller åpne og lukke automatiske dører.

I en typisk krets der en fotodiode er installert, er potensialet som påføres dioden omvendt forspent, og verdien er litt lavere enn diodens sammenbruddsspenning. Det går ingen strøm gjennom en slik krets. Når lys treffer dioden, forårsaker tilleggsspenningen som begynner å bevege seg over P-N-krysset en innsnevring av utarmingsområdet og skaper muligheten for strøm å flyte gjennom dioden. Mengden strøm som passerer bestemmes av intensiteten av lysstrømmen som faller inn på fotodioden.

Fotovoltaiske dioder

Fotovoltaiske dioder er den eneste spenningskilden for kretsen de er installert i.

Et eksempel på en slik fotoelektrisk diode er en fotoeksponeringsmåler som brukes i fotografering for å bestemme belysning. Når lys treffer en lysfølsom diode i en fotoeksponeringsmåler, utløses den resulterende spenningen måler. Jo høyere belysning, jo større spenning vises på dioden.

2. Samlede IP-signaler

3. Tilordning av omvendt IP

1. Fotodiodes egenskaper, svitsjekretser, applikasjon.

Fotodiode (PD) - en optisk strålingsmottaker som konverterer fluksen som faller inn på dets lysfølsomme område til en elektrisk ladning på grunn av prosesser i p-n-krysset.

I fig. Figur 9 viser et blokkskjema av en fotodiode med eksterne målelementer.

1-halvlederkrystall;

2-pinner;

3-konklusjoner;

F-fluks av elektromagnetisk stråling;

E-kildespenning DC;

Rn-lastmotstand.

Ris. 9. Blokkdiagram fotodiode

Driftsprinsipp

På belysning p-n overgang ved monokromatisk stråling med fotonenergi > ( er båndgapet), iboende absorpsjon av strålingskvanter finner sted og ikke-likevektsfotoelektroner og fotohull genereres. Under påvirkning av overgangens elektriske felt beveger disse fotobærerne seg: elektroner - til n-regionen, og hull - til p-regionen, dvs. en driftstrøm av ikke-likevektsbærere flyter gjennom krysset. Fotodiodestrømmen bestemmes av minoritetsbærestrømmen.

Ligningen som bestemmer lys- og strømspenningsegenskapene til fotovoltaiske celler kan presenteres som følger:

, (5)

, (6)

hvor er den mørke lekkasjestrømmen gjennom p-novergang;

- metningsstrøm, dvs. den absolutte verdien av verdien som mørkestrømmen tenderer til;

EN- en koeffisient som avhenger av fotocellematerialet og har en verdi fra 1 til 4 (for germaniumfotodioder er den lik 1);

- temperaturK;

, k(elementær ladning);

(Boltzmann konstant);

Familien av strømspenningskarakteristikker til en opplyst fotodiode er vist i figur 10.

Ris. 10. Strømspenningsegenskaper til fotodioden

Familien av strømspenningsegenskaper til fotodioden er plassert i kvadrantene I, III, IV. Kvadrant I er ikke-arbeidsområdet for fotodioden i denne modusen, fotokontroll av strømmen gjennom dioden er umulig.

Kvadrant IV til fotodiodens strømspenningskarakteristikk tilsvarer den fotovoltaiske driftsmodusen til fotodioden. Hvis målet er åpent, øker konsentrasjonen av elektroner i n-regionen og hull i p-regionen, romladningsfeltet til urenhetsatomene i overgangen blir delvis kompensert og potensialbarrieren avtar. Denne reduksjonen skjer med en mengde fotoEMF kalt åpen kretsspenning til fotodioden Uxx. Verdien av Uxx for PD er 0,5-0,55V for GaAs - galliumarsenid Uxx=0,8÷0,9V og kan ikke overstige kontaktpotensialforskjellen til krysset, siden i dette tilfellet er det elektriske feltet fullstendig kompensert og separasjonen av fotobærere i krysset stopper.

Hvis p- og n-regionene er forbundet med en ekstern leder (modus kortslutning), så vil Uxx=0 og en kortslutningsstrøm dannet av ikke-likevektsfotobærere flyte i lederen.

Mellomverdier bestemmes av lastlinjer, som ved forskjellige verdier forlater origo i forskjellige vinkler. For en gitt strømverdi, i henhold til PD-strømspenningskarakteristikken, er det mulig å velge den optimale driftsmodusen til fotodioden, der den største elektriske kraften vil bli overført til lasten.

De viktigste lysegenskapene til en fotodiode i fotovoltaisk modus er avhengigheten av kortslutningsstrømmen på lysstrømmen og åpen kretsspenning fra lysstrømmen Uхх = , deres typiske avhengigheter er vist i figur 11.

Som det fremgår av fig. 11, er avhengigheten lineær i et bredt spekter av Ф og først ved betydelige lysstrømmer (Ф>2000...3000lm) begynner ulinearitet å vises.

Avhengigheten Uxx = er også lineær, men med lysstrømmer som ikke overstiger 200÷300 lm, har den betydelig ikke-linearitet ved Ф mer enn 4000 lm. Ikke-linearitet når F øker, forklares det med en økning i spenningsfallet over volummotstanden til fotodiodebasen, og ikke-lineariteten Uхх = forklares av en reduksjon i potensialbarrieren med økende F.

Karakteristikkene til PD er svært avhengig av temperatur. For silisium-PD-er synker Uxx med 2,5 mV med en temperaturøkning på 1˚С, mens Icr øker i relative enheter med 3∙10 -3 1/˚С.

Ris. 11. Lyskarakteristikker til fotodioden

Kvadrant III er fotodiodeområdet for PD-operasjon, der reversspenning påføres p-n-krysset (fig. 9)

CVC belastningsmotstand er en rett linje, hvis ligning er:

,

hvor er reversspenningen på PD,

– fotostrøm.

Fotodioden og belastningsmotstanden er koblet i serie, dvs. den samme strømmen går gjennom dem . Denne strømmen kan bestemmes av skjæringspunktet mellom I-V-karakteristikken til fotodioden og belastningsmotstanden.

Således, i fotodiodemodus, for en gitt strålingsfluks F, er fotodioden en strømkilde i forhold til den eksterne kretsen. Dessuten er verdien av strømmen praktisk talt ikke avhengig av parametrene til den eksterne kretsen (,).

Laboratoriearbeid nr. 16

Fotodiodestudie

Mål: Gjør deg kjent med prinsippet om drift, design, egenskaper og bruk av halvlederfotodioder.

Enheter og tilbehør: germanium fotodiode FD-7G, stativ for måling av strøm-spenningsegenskaper til dioder, optisk benk med belysning, strømforsyning, oscilloskop.

Teoretisk innføring

Fotodiode er en halvlederdiode som er følsom for lys og designet for å konvertere lysfluks (optisk stråling) til et elektrisk signal.

Ikke forskjellig i driftsprinsipp fra en fotokonverter av solenergi, fotodioder har sine egne designfunksjoner og egenskaper som bestemmes av deres formål.

Fotodioder er beregnet for bruk som mottakere og sensorer for optisk stråling (vanligvis synlig og infrarød) som en del av utstyr og ulike enheter som bruker synlig og infrarød stråling.

Driften av fotodioder er basert på fenomenet intern fotoelektrisk effekt, der, under påvirkning av lys, vises ytterligere (ikke-likevekts) elektroner og hull i halvlederen, og skaper en fotostrøm eller fotospenning.

1. Driftsprinsippet for fotodioder med et p-n-kryss. I fotodioder er det lysfølsomme elementet overgangsregionen - et p-n-kryss, plassert mellom områdene med elektronisk og hullledningsevne (fig. 1).

Dannelse av et p-n-kryss. En n-type halvleder inneholder et visst antall donor-type urenhetsatomer, som nesten alle er ionisert ved romtemperatur. I en slik halvleder er det altså n om lag frie elektroner og det samme antall immobile positivt ladede donorurenheter.

I en hull-halvleder (p-type halvleder) oppstår en lignende situasjon. Den inneholder po frie hull og samme antall negativt ladede ioner av akseptoratomer. Prinsippet for dannelse av et pn-kryss er vist i fig. 1.

Når p- og n-regioner kommer i kontakt i dem, på grunn av tilstedeværelsen av en konsentrasjonsgradient av elektroner og hull, oppstår en diffusjonsstrøm av elektroner fra en n-type halvleder til en p-type halvleder og omvendt en strømning av hull fra en p-halvleder til en n-halvleder. Elektroner overført fra n-regionen til p-regionen rekombinerer med hull nær grensesnittet. Hull rekombinerer på samme måte, og beveger seg fra p-regionen til n-regionen. Som et resultat er det praktisk talt ingen gratis ladningsbærere (elektroner og hull) igjen nær p-n-krysset.

På begge sider av p-n-krysset dannes således et dobbeltladet lag dannet av stasjonære urenheter (andre navn er uttømmingslag eller romladningsregion (SCR), blokkerende lag), og skaper et sterkt elektrisk felt. Det elektriske feltet til blokkeringslaget er rettet fra n-området til p-området og motvirker prosessen med diffusjon av majoritetsladningsbærerne fra områder fjernt fra p-n-krysset til utarmingsområdet. Denne tilstanden er likevekt og kan, i fravær av ytre forstyrrelser, eksistere på ubestemt tid.

Ris. 1 – Utdanning pn-kryss Ris. 2

Prinsippet for drift av en fotodiode. Optisk stråling (lys) absorbert i en halvlederstruktur med en p-n-overgang skaper frie elektron-hull-par forutsatt at fotonenergien hν overstiger halvlederbåndgapet F.eks.

Frie elektroner og hull vises både i p- og n-regionene av overgangen, og i umiddelbar nærhet av det blokkerende laget. Det elektriske feltet som eksisterer i blokkeringslaget (feltet til p-n-krysset) skiller de frie ladningsbærerne skapt av lys, avhengig av deres fortegn, i forskjellige deler av fotodioden: frie elektroner beveger seg til n-regionen av krysset, og hull beveger seg til p-regionen, noe som fører til lading av disse områdene (fig. 2).

Når den lyser, samler det seg hull i p-regionen, og lader den positivt. Elektroner akkumuleres i n-regionen og lader den negativt. Derfor oppstår det en potensiell forskjell mellom dem.

I dette tilfellet er to driftsmoduser for enheten mulig: i kretser med en ekstern strømkilde og uten den. Driftsmodusen til en fotodiode med en ekstern strømkilde kalles fotodiode, og uten en ekstern strømkilde - fotovoltaisk modus (et annet navn er fotovoltaisk modus).

Generasjonsmodus. I dette tilfellet påføres ingen ekstern spenning på krysset og kretsen er åpen. Belysning fører til akkumulering av fotoelektroner i n-regionen og hull i p-regionen. Som et resultat dannes det en potensiell forskjell U f (ofte kalt "spenning

Ris. 3 Fig. 4 – Strømspenningskarakteristikk for fotodioden

ved forskjellige lysstrømmer (F 1< Ф 2 < Ф 3).

tomgang U xx "), det vil si at fotospenning vises. Akkumuleringen av overflødige elektroner og hull skjer ikke uten grenser. Samtidig med økningen i konsentrasjonen av hull i hullområdet og elektroner i det elektroniske området, avtar potensialbarrieren for overgangen med verdien av fotospenningen og diffusjon av flertallets ladningsbærere skjer gjennom p-n-krysset. Dynamisk likevekt setter inn.

Når en last R n er koblet til de eksterne terminalene til fotodioden, vil det oppstå en strøm i dens krets (fig. 3). I den eksterne kretsen blir fotostrømmen rettet fra p-området til n-området. Under slike forhold fungerer fotodioden som en omformer av strålingsenergi til elektrisk energi.

Strømspenningskarakteristikk for et opplyst p-n-kryss. Strømspenningskarakteristikken til p-n-krysset under belysning kan skrives i følgende form:

, (1)

hvor I n er metningsstrømmen i mørket; I f - fotostrøm, det vil si strømmen som skapes av lyseksiterte ladningsbærere og passerer gjennom p-n-krysset; U – ekstern spenning i krysset.

I fig. Figur 4 viser grafer over strømspenningsavhengigheter for forskjellige lysstrømmer F. I fravær av belysning (If = 0) går strømspenningskarakteristikken (mørk) gjennom origo for koordinater. De resterende kurvene, som tilsvarer visse lysstrømmer, forskyves langs ordinataksen (strømaksen) med segmenter lik fotostrømstyrken - I f. Fra uttrykk (1) er det klart at når den slås på igjen (U< 0) и при

(qU >> kT) strøm gjennom krysset I = - (I n + I f).

Deler av kurvene plassert i tredje kvadrant tilsvarer fotodiodedriftsmodusen): deler av kurvene plassert i fjerde kvadrant tilsvarer fotospenningsgenereringsmodusen.

Hvis strømstyrken i den eksterne kretsen er I = 0 (kretsen er åpen), så kan du fra uttrykk (1) finne åpen kretsspenning U f.

(2)

Hvis fotodioden i generasjonsmodus er koblet til en ekstern krets med lav motstand, akkumuleres ikke fotoelektroner i n-regionen og U f = 0. Og siden det ikke er noen ekstern spenning, flyter en strøm I = - I f inn. kretsen, ofte kalt kortslutningsstrøm og direkte proporsjonal med lysstrømmen I f ~ F.

Ris. 5 – Fotodiode blokkskjema og krets

slå den på når du bruker fotodiodemodus: Fig. 6

1 - halvlederkrystall; 2 - kontakter;

3 - konklusjoner; F - elektromagnetisk fluks

stråling; n og p - områder av halvlederen;

E - likestrømkilde; R n - belastning.

Fotodiodemodus. I denne modusen påføres reversspenning til p-n-krysset

(p-region er koblet til minus av spenningskilden, og n-region til pluss av kilden; fig. 5). Kretsen inkluderer også en lastmotstand (motstand) R n. I dette tilfellet har krysset enorm motstand og en svak reversstrøm flyter gjennom det (metningsstrøm i mørket I n). Når en fotodiode er opplyst, øker strømmen gjennom den kraftig på grunn av utseendet til en fotostrøm og kan betydelig overstige mørkestrømmen In (fig. 4). Spenningsfallet over belastningsmotstanden Rn endres tilsvarende. Med riktig valg av spenningskilde og ytre motstand Rn kan størrelsen på det elektriske signalet (spenningen over motstanden) være stor og derfor er fotodioder mye brukt for opptak og måling av lyssignaler.

Strømmen gjennom fotodioden bestemmes hovedsakelig av strømmene av ikke-likevektsladningsbærere (elektroner i p-regionen og hull i n-regionen) som oppstår under belysning, og er ikke avhengig av spenning, det vil si at den har karakter av en metningsstrøm.

Derfor, i fotodiodemodus, observeres en streng lineær avhengighet av fotostrømmen på belysning opp til svært høye belysningsverdier. Dette er en viktig fordel med fotodioder.

For å registrere variable optiske signaler (lysstrømmer), kretsen vist i fig. 6. Den skiftende lysfluksen som faller inn på fotodioden forårsaker en vekselstrømkomponent i kretsen, som gjentar endringene i lysintensitet. Og de samme spenningsendringene skjer over motstanden Rn, som tilføres inngangen til opptakssystemet. For å skille (ikke gå glipp av) DC-komponenten til spenningen over motstanden, er en avkoblingskondensator C plassert i signalkretsen. 2. Produksjonsteknologi og design.

For fremstilling av p-n-kryss ved produksjon av fotodioder, brukes metoden for fusjon og diffusjon av urenheter. Hovedoppmerksomheten rettes mot dybden av plassering av p-n-krysset i forhold til

Fig. 7 – Design av geranium Fig. 8 – Spektralegenskaper

opplyst overflate av krystallen, siden den bestemmer tregheten (hastigheten) til fotodioden. Figur 7 viser utformingen av FD-1 germanium fotodioden i en metallkasse. En rund plate 1, kuttet fra en enkelt krystall av germanium med elektrisk ledningsevne av n-type, festes ved hjelp av en krystallholder 2 i et kovarhus 3. Bly 4 fra en indiumelektrode smeltet sammen til germanium føres gjennom et kovarrør 5, fiksert med en glassisolator 6 i benet på huset 7. En annen Elektroden er selve fotodiodekroppen, siden germaniumkrystallen er loddet til krystallholderen med en tinnring 8. I fotodiodekroppen er det et rundt hull dekket av en glasslinse 9, som samler lysstrømmen på den begrensede overflaten av germaniumplaten. For å beskytte p-n-krysset mot miljøpåvirkning er fotodiodehuset forseglet.

Noen typer fotodioder har et plasthus. Materialet til et slikt hus og vinduene i metallhuset er valgt slik at de er transparente for den delen av spekteret (stråling) som denne fotodioden skal være følsom for. Så for germanium-enheter er dette synlig lys og kortbølget infrarød stråling.

Materialer Ge, Si, GaAs, HgCdTe og andre halvlederforbindelser brukes til å lage fotodioder.

Hovedkarakteristikker og parametere til fotodioder

- Følsomhet S - en parameter som reflekterer endringen i det elektriske signalet (strøm eller spenning) ved utgangen til fotodioden når den er opplyst.

Den måles kvantitativt ved forholdet mellom endringen i den elektriske karakteristikk (strøm I f eller spenning U f) målt ved utgangen av fotodioden og strålingsfluksen F som faller inn på enheten.

S I = I f/F- strømfølsomhet, S v = U f / F- spenningsfølsomhet.

- Sensitivitetsterskel F p– verdien av den minste lysstrømmen registrert av fotodioden, per enhetsdriftsfrekvensbånd.

- Tidskonstant τ, som karakteriserer tregheten til enheten, det vil si hastigheten.

Dette er tiden som fotostrømmen til fotodioden endres etter belysning eller etter mørklegging av fotodioden e ganger i forhold til steady-state-verdien.

For fotodioder med et pn-kryss er det 10 -6 – 10 -8 s.

- Mørk motstand R T– fotodiodens motstand i fravær av belysning.

- Spektral karakteristikk– avhengighet av fotostrømmen av bølgelengden λ av lys som faller inn på fotodioden. For germanium- og silisiumfotodioder er spektralegenskapene vist i fig. 8. Bølgelengden som maksimal følsomhet oppstår ved er omtrent λ max = 800 – 900 nm for silisiumfotodioder, den er ved λ max = 1500 – 1600 nm.

- Strøm-spenningskarakteristikk- lysstrømmens avhengighet av spenning ved konstant lysstrøm.

- Lyskarakteristikk - avhengighet av fotostrøm på belysning.

Noen andre parametere er vist i tabellen.

Den konvensjonelle grafiske betegnelsen for fotodioder er vist i fig. 9, fotografier av noen fotodioder er vist i fig. 10.

Ris. 9 Fig.10

4. Påføring av fotodioder. Moderne fotodioder har den beste kombinasjonen av grunnleggende parametere:

1. Høy følsomhet til optiske signaler;

2. Høy ytelse;

3. Lav driftsspenning;

4. Lineær avhengighet av fotostrøm på belysning i et bredt spekter av belysning.

5. Lavt støynivå;

6. Enkelheten til enheten.

Derfor er de mye brukt i automatiseringsenheter, datamaskin- og laserteknologi og fiberoptiske kommunikasjonslinjer.

I hverdagen brukes fotodioder i enheter som CD-lesere, moderne kameraer og ulike sensorenheter.

For eksempel brukes infrarøde fotodioder i fjernkontroller, sikkerhets-, sikkerhets- og automasjonssystemer.

Det er røntgenfotodioder som brukes til å oppdage ioniserende stråling og høyenergipartikler. En viktig applikasjon er i medisinsk utstyr, for eksempel computertomografimaskiner.

Får jobben gjort

Oppgave 1. Måling av strømspenningskarakteristikken til en fotodiode i fravær av belysning (i mørket).