Fotodiodă. Principalele caracteristici și parametri ai fotodiodelor Care este pierderea de întoarcere electrică a unei fotodiode

Fotodiodă simplă este o diodă semiconductoare convențională, care oferă posibilitatea expunerii la radiații optice la joncțiunea p–n.

Într-o stare echilibrată, când nu există 100% nici un flux de radiație, concentrația purtătorului, dispersia potențialului și diagrama benzii de energie a fotodiodei sunt 100% în concordanță cu structura p-n obișnuită.

Când sunt expuse la radiații într-o direcție perpendiculară pe planul joncțiunii p-n, ca urmare a absorbției fotonilor cu o energie mai mare decât lățimea zonei ilegale, perechile electron-gaură apar în regiunea n. Acești electroni și găuri se numesc purtători foto.

Când fotopurtătorii difuzează adânc în regiunea n, majoritatea electronilor și găurilor nu au timp să se recombine și să atingă limita joncțiunii p–n. Aici fotopurtătorii sunt împărțiți de câmpul electronic al joncțiunii p–n, în timp ce găurile se deplasează în regiunea p, iar electronii nu pot depăși câmpul de tranziție și se acumulează la limita joncțiunii p–n și a regiunii n. .

Astfel, curentul prin joncțiunea p–n se datorează derivei purtătorilor minoritari – găuri. Curentul de deriva al fotopurtătorilor se numește fotocurent.

Fotopurtători - găurile încarcă regiunea p pozitiv în raport cu regiunea n, iar fotopurtătorii - electroni - încarcă regiunea n negativ în raport cu regiunea p. Diferența de potențial rezultată se numește photoEMF Eph. Curentul generat în fotodiodă este invers, este orientat de la catod la anod, iar valoarea lui este mai mare, cu cât iluminarea este mai mare.

Fotodiodele pot funcționa în unul dintre cele două moduri - fără o sursă externă de energie electronică (mod fotogenerator) sau cu o sursă externă de energie electronică (mod fotoconvertor).

Fotodiodele care funcționează în modul fotogenerator sunt adesea folosite ca surse de energie care modifică energia radiației solare în energie electronică. Sunt numiti celule solareși fac parte din bateriile solare utilizate pe nave spațiale și sateliți.

Eficiența pieselor solare din siliciu este de aproximativ 20%, iar pentru piesele solare cu film poate fi semnificativ mai mare. Parametrii tehnici necesari ai celulelor solare sunt raportul dintre puterea lor de ieșire și masa și suprafața ocupată baterie solară. Aceste caracteristici ating valori de 200 W/kg, respectiv 1 kW/m2.

Când fotodioda funcționează în modul de fotoconversie, sursa de alimentare E este conectată la circuit în direcția de blocare (Fig. 1, a). Ramurile inverse ale caracteristicilor curent-tensiune ale fotodiodei sunt utilizate la diferite niveluri de iluminare (Fig. 1, b).

Orez. 1. Schema de circuit pentru pornirea unei fotodiode în modul de fotoconversie: a — circuit de comutare, b — caracteristica curent-tensiune a fotodiodei.

Curentul și tensiunea pe rezistorul de sarcină Rn pot fi determinate grafic din punctele de intersecție ale caracteristicilor I-V ale fotodiodei și banda de sarcină corespunzătoare rezistenței rezistorului Rn. În absența iluminării, fotodioda funcționează în modul unei diode convenționale. Curentul de întuneric pentru fotodiodele cu germaniu este de 10 - 30 µA, pentru fotodiodele cu siliciu este de 1 - 3 µA.

Dacă în fotodiode se utilizează o defalcare reversibilă a electronilor, însoțită de o multiplicare avalanșă a purtătorilor de sarcină, ca în diodele zener semiconductoare, atunci fotocurentul și, prin urmare, sensibilitatea, va crește semnificativ.

Sensibilitate fotodiode de avalanșă poate fi de câteva ordine de mărime mai mare decât cea a fotodiodelor convenționale (pentru germaniu - de 200 - 300 de ori, pentru siliciu - de 104 - 106 ori).

Fotodiodele avalanșă sunt dispozitive fotovoltaice de mare viteză, spectrul lor de frecvență poate ajunge la 10 GHz. Dezavantajul fotodiodelor de avalanșă este că sunt mai multe cel mai înalt nivel zgomot în comparație cu fotodiodele convenționale.

Orez. 2. Schema circuitului pentru conectarea unui fotorezistor (a), UGO (b), energie (c) și proprietăți curent-tensiune (d) ale fotorezistorului.

Pe lângă fotodiode, se folosesc fotorezistoare (Figura 2), fototranzistoare și fototiristoare, care utilizează efectul fotoelectric intern. Dezavantajul lor corespunzător este cea mai mare inerție (frecvența limită de operare fgr

Designul unui fototranzistor este similar cu un tranzistor obișnuit, care are o fereastră în carcasă prin care baza poate fi iluminată. Fototranzistor UGO - un tranzistor cu 2 săgeți îndreptate spre el.

LED-urile și fotodiodele sunt adesea folosite în perechi. În același timp, ele sunt plasate într-o singură carcasă, astfel încât zona fotosensibilă a fotodiodei să fie situată vizavi de zona de emisie a LED-ului. Dispozitivele semiconductoare care utilizează perechi LED-fotodiodă se numesc optocuple (Fig. 3).

Orez. 3. Optocupler: 1 – LED, 2 – fotodioda

Circuitele de intrare și ieșire din astfel de dispozitive nu sunt conectate electric în niciun fel, deoarece semnalul este transmis prin radiație optică.

Principiul de funcționare al unei fotodiode

O fotodiodă semiconductoare este o diodă semiconductoare al cărei curent invers depinde de iluminare.

De obicei, diodele semiconductoare cu o joncțiune pn sunt utilizate ca fotodiodă, care este polarizat invers de o sursă de alimentare externă. Când absorbi cuante de lumină în joncțiunea р-n e sau în zonele adiacente acestuia se formează noi purtători de sarcină. Purtătorii de sarcină minoritari care apar în regiunile adiacente joncțiunii pn la o distanță care nu depășește lungimea de difuzie difuzează în joncțiunea pn și trec prin aceasta sub influența unui câmp electric. Adică, curentul invers crește atunci când este iluminat. Absorbția cuantelor direct în joncțiunea pn duce la rezultate similare. Cantitatea cu care crește curentul invers se numește fotocurent.

Caracteristicile fotodiodelor

Proprietățile unei fotodiode pot fi caracterizate prin următoarele caracteristici:

Caracteristica curent-tensiune a unei fotodiode este dependența curentului de lumină la un flux de lumină constant și a curentului de întuneric de 1 t de tensiune.

Caracteristica luminii unei fotodiode este determinată de dependența fotocurentului de iluminare. Pe măsură ce iluminarea crește, fotocurentul crește.

Caracteristica spectrală a unei fotodiode este dependența fotocurentului de lungimea de undă a luminii incidente pe fotodiodă. Este determinată pentru lungimi de undă lungi de banda interzisă, iar la lungimi de undă scurte de o rată mare de absorbție și o creștere a influenței recombinării de suprafață a purtătorilor de sarcină cu o scădere a lungimii de undă a cuantelor de lumină. Adică, limita de sensibilitate a lungimii de undă scurtă depinde de grosimea bazei și de viteza recombinării suprafeței. Poziția maximului în caracteristica spectrală a fotodiodei depinde puternic de gradul de creștere a coeficientului de absorbție.

Constanta de timp este timpul în care fotocurentul fotodiodei se modifică după iluminare sau după întunecarea fotodiodei de e ori (63%) în raport cu valoarea în regim stabil.

Rezistența la întuneric este rezistența fotodiodei în absența iluminării.

Sensibilitatea integrală este determinată de formula:

unde 1 f este fotocurent, F este iluminarea.

Inerţie

Există trei factori fizici care influențează inerția:

1. Timpul de difuzie sau deplasare a purtătorilor de neechilibru prin baza t;

2. Timpul de zbor prin joncțiunea p-n t;

3. Timp de reîncărcare barieră containere p-p tranziție, caracterizată prin constanta de timp RC 6 ap.

Grosime tranziție r-n, în funcție de tensiunea inversă și de concentrația de impurități din bază, este de obicei mai mică de 5 microni, ceea ce înseamnă t - 0,1 ns. RC 6 ap determinat de barieră capacitate p-n tranziție, în funcție de tensiunea și rezistența bazei fotodiodei la rezistență de sarcină scăzută în circuitul extern. Valoarea lui RC 6 ap este de obicei de câteva nanosecunde.

Calculul eficienței și puterii fotodiodei

Eficiența se calculează prin formula:

unde R osv - puterea de iluminare; I - puterea curentului;

U este tensiunea pe fotodiodă.

Calculul puterii fotodiodei este ilustrat în Fig. 2.12 și tabelul 2.1.

Orez. 2.12. Dependența puterii fotodiodei de tensiune și curent

Puterea maximă a fotodiodei corespunde ariei maxime a unui dreptunghi dat.

Tabelul 2.1. Dependența puterii de eficiență

Aplicarea fotodiodei în oltoelectronică

Fotodioda este un element integral în multe dispozitive optoelectronice complexe:

Circuite integrate optoelectronice.

O fotodiodă poate fi mai rapidă, dar câștigul fotocurentului nu depășește unitatea. Datorită disponibilității comunicatii optice Circuitele integrate optoelectronice au o serie de avantaje semnificative, și anume: izolarea galvanică aproape ideală a circuitelor de control de circuitele de putere, menținând în același timp o conexiune funcțională puternică între ele.

Fotodetectoare cu mai multe elemente.

Aceste dispozitive (scanistor, matrice fotodiodă controlată de un tranzistor MOS, dispozitive fotosensibile cuplate la sarcină și altele) sunt printre produsele electronice cu cea mai rapidă dezvoltare și cu cea mai progresivă dezvoltare. Un „ochi” optoelectric bazat pe o fotodiodă este capabil să răspundă nu numai la luminozitatea-temporale, ci și la caracteristicile spațiale ale unui obiect, adică să-și perceapă imaginea vizuală completă.

Numărul de celule fotosensibile din dispozitiv este destul de mare, așa că pe lângă toate problemele unui fotodetector discret (sensibilitate, viteză, regiune spectrală), trebuie rezolvată și problema citirii informațiilor. Toți fotodetectoarele cu mai multe elemente sunt sisteme de scanare, adică dispozitive care fac posibilă analizarea spațiului studiat prin vizualizarea secvențială a acestuia (descompunere element cu element).

Cum apare percepția imaginii?

Distribuția luminozității obiectului observat este convertită într-o imagine optică și focalizată pe o suprafață fotosensibilă. Aici, energia luminii este convertită în energie electrică, iar răspunsul fiecărui element (curent, sarcină, tensiune) este proporțional cu iluminarea acestuia. Modelul de luminozitate este transformat într-un relief electric. Circuitul de scanare interogează periodic fiecare element și citește informațiile conținute în acesta. Apoi la ieșirea dispozitivului primim o secvență de impulsuri video în care imaginea percepută este codificată.

Atunci când creează fotodetectoare cu mai multe elemente, aceștia se străduiesc să asigure cea mai bună performanță a funcțiilor de conversie și scanare. Optocuple.

Un optocupler este un dispozitiv optoelectronic în care există o sursă și un receptor de radiații cu unul sau altul tip de conexiune optică între ele, combinate structural și plasate într-o singură carcasă. Nu există conexiune electrică (galvanică) între circuitul de control (curentul în care este mic, de ordinul mai multor mA), unde este conectat emițătorul, și circuitul executiv, în care funcționează fotodetectorul și se transmit informațiile de control. prin radiații luminoase.

Această proprietate a unei perechi optoelectronice (și în unele tipuri de optocuptoare există chiar mai multe optocuple optice neconectate între ele) s-a dovedit a fi indispensabilă în acele unități electronice în care este necesar să se elimine cât mai mult posibil influența circuitelor electrice de ieșire. pe cele de intrare. Pentru toate elementele discrete (tranzistoare, tiristoare, microcircuite care sunt ansambluri de comutare sau microcircuite cu o ieșire care permite comutarea sarcinilor de mare putere), circuitele de control și executive sunt conectate electric între ele. Acest lucru este adesea inacceptabil la comutarea sarcinilor de înaltă tensiune. În plus, în curs de dezvoltare feedback duce inevitabil la interferențe suplimentare.

Din punct de vedere structural, fotodetectorul este de obicei montat pe partea de jos a carcasei, iar emițătorul este montat în partea de sus. Spațiul dintre emițător și fotodetector este umplut cu material de imersie - cel mai adesea acest rol este îndeplinit de adeziv optic polimer. Acest material acționează ca o lentilă care concentrează radiația pe stratul sensibil al fotodetectorului. Materialul de imersie este acoperit la exterior cu o peliculă specială care reflectă razele de lumină spre interior pentru a preveni împrăștierea radiațiilor în afara zonei de lucru a fotodetectorului.

Rolul emițătorilor în optocuplere este de obicei îndeplinit de LED-uri pe bază de arseniură de galiu. Elementele fotosensibile din optocuple pot fi fotodiode (optocuple din seria AOD...), fototranzistoare, fototrinistoare (optocuple din seria AOU...) și circuite fotorelee foarte integrate. Într-un optocupler cu diodă, de exemplu, o fotodiodă pe bază de siliciu este utilizată ca element fotoreceptor, iar o diodă emițătoare de infraroșu servește ca emițător. Caracteristicile spectrale maxime ale radiației diodei apar la o lungime de undă de aproximativ 1 micron. Optocuplele cu diodă sunt utilizate în modurile fotodiodă și fotogenerator.

Optocuplele cu tranzistori (seria AOT...) au unele avantaje față de cele cu diode. Curentul de colector al tranzistorului bipolar este controlat atât optic (prin influențarea LED-ului), cât și electric prin intermediul circuitului de bază (în acest caz, funcționarea fototranzistorului în absența radiației de la LED-ul de control al optocuplerului nu este practic diferită de funcţionarea unui tranzistor de siliciu obişnuit). Pentru un tranzistor cu efect de câmp, controlul se realizează prin circuitul de poartă.

În plus, fototranzistorul poate funcționa în moduri de comutare și amplificare, iar fotodioda poate funcționa numai în modul de comutare. Optocuplele cu tranzistoare compozite (de exemplu, AOT1YUB) au cel mai mare câștig (ca o unitate obișnuită pe tranzistor compozit), poate comuta tensiunea și curentul de valori suficient de mari și, în ceea ce privește acești parametri, sunt inferioare doar optocuplelor tiristoare și releelor ​​optoelectronice de tip KR293KP2 - KR293KP4, care sunt adaptate pentru comutarea circuitelor de înaltă tensiune și curent înalt. . Astăzi, în vânzările cu amănuntul au apărut noi relee optoelectronice din seriile K449 și K294. Seria K449 permite comutarea tensiunilor de până la 400 V la curenți de până la 150 mA. Astfel de microcircuite într-un pachet compact DIP-4 cu patru pini înlocuiesc releele electromagnetice de putere redusă și au o mulțime de avantaje față de relee (funcționare silențioasă, fiabilitate, durabilitate, absența contactelor mecanice, gamă largă de tensiuni de funcționare). În plus, prețul lor accesibil se explică prin faptul că nu este nevoie să folosiți metale prețioase (în relee acopera contactele de comutare).

În optocuptoarele cu rezistență (de exemplu, OEP-1), emițătorii sunt lămpi electrice mini-incandescente, plasate de asemenea într-o singură carcasă.

Denumirile grafice ale optocuplelor conform GOST au un cod convențional - litera latină U, urmată de numărul de serie al dispozitivului din circuit.

Capitolul 3 al cărții descrie instrumente și dispozitive care ilustrează utilizarea optocuplelor.

Aplicarea fotodetectorilor

Orice dispozitiv optoelectronic conține o unitate fotodetectoare. Și în majoritatea dispozitivelor optoelectronice moderne, fotodioda formează baza fotodetectorului.

În comparație cu alte fotodetectoare mai complexe, aceștia au cea mai mare stabilitate a caracteristicilor de temperatură și proprietăți de performanță mai bune.

Principalul dezavantaj care este de obicei subliniat este lipsa amplificarii. Dar este destul de convențional. În aproape fiecare dispozitiv optoelectronic, fotodetectorul funcționează pe unul sau altul circuit electronic potrivit. Și introducerea unei etape de amplificare în ea este mult mai simplă și mai convenabilă decât oferirea fotodetectorului de funcții de amplificare care sunt neobișnuite pentru acesta.

Capacitate mare de informare a canalului optic, datorită faptului că frecvența vibrațiilor luminii (aproximativ 10 15 Hz) este de 10 3 ... 10 4 ori mai mare decât în ​​domeniul radio masterizat. Lungimea de undă mică a vibrațiilor luminii asigură o densitate mare realizabilă de înregistrare a informațiilor în dispozitivele optice de stocare (până la 10 8 biți/cm2).

Direcționalitatea (precizia) ascuțită a radiației luminoase, datorită faptului că divergența unghiulară a fasciculului este proporțională cu lungimea de undă și poate fi mai mică de un minut. Acest lucru permite transmiterea concentrată și cu pierderi reduse a energiei electrice în orice zonă a spațiului.

Posibilitatea de modulare dublă - temporală și spațială - a fasciculului luminos. Deoarece sursa și receptorul din optoelectronică nu sunt conectate electric între ele, iar legătura dintre ele se realizează numai printr-un fascicul de lumină (fotoni neutri din punct de vedere electric), ele nu se influențează reciproc. Și, prin urmare, într-un dispozitiv optoelectronic, fluxul de informații este transmis într-o singură direcție - de la sursă la receptor. Canalele prin care se propagă radiația optică nu se afectează reciproc și sunt practic insensibile la interferența electromagnetică, ceea ce determină imunitatea lor ridicată la zgomot.

O caracteristică importantă a fotodiodelor este performanța lor ridicată. Ele pot funcționa la frecvențe de până la câțiva MHz. de obicei din germaniu sau siliciu.

Fotodioda este un potențial receptor de bandă largă. Acest lucru determină utilizarea și popularitatea sa pe scară largă.

Spectrul IR

O diodă emițătoare de infraroșu (dioda IR) este o diodă semiconductoare care, atunci când trece curent continuu prin ea, emite energie electromagnetică în regiunea infraroșu a spectrului.

Spre deosebire de spectrul de radiații vizibil pentru ochiul uman (cum ar fi, de exemplu, produs de o diodă emițătoare de lumină convențională pe bază de fosfură de galiu), radiația IR nu poate fi percepută de ochiul uman, ci este înregistrată folosind dispozitive speciale care sunt sensibile la acest spectru de radiații. Printre diodele de fotodetecție populare din spectrul IR se numără dispozitivele fotosensibile MDK-1, FD263-01 și altele asemenea.

Caracteristicile spectrale ale diodelor emitatoare IR au un maxim pronunțat în domeniul lungimii de undă de 0,87...0,96 microni. Eficiența radiației și eficiența acestor dispozitive este mai mare decât cea a diodelor emițătoare de lumină.

Pe baza diodelor IR (care ocupă un loc important în proiectările electronice ca transmițătoare de impulsuri în spectrul IR), liniile de fibră optică (se disting în mod avantajos prin viteza și imunitatea la zgomot), unitățile electronice multifațete de uz casnic și, desigur, unitățile electronice de securitate sunt construit. Acest lucru are avantajul său, deoarece... Fasciculul IR este invizibil pentru ochiul uman și în unele cazuri (dacă sunt utilizate mai multe fascicule IR multidirecționale) este imposibil să se determine vizual prezența dispozitivului de securitate înainte de a intra în modul „alarma”. Experiența în producția și întreținerea sistemelor de securitate bazate pe emițători IR ne permite să oferim câteva recomandări pentru determinarea stării de funcționare a emițătorilor IR.

Dacă vă uitați îndeaproape la suprafața emițătoare a unei diode IR (de exemplu, AL147A, AL156A) când i se aplică un semnal de control, veți observa o strălucire roșie slabă. Spectrul de lumină al acestei străluciri este aproape de culoarea ochilor animalelor albinos (șobolani, hamsteri etc.). În întuneric, strălucirea IR este și mai pronunțată. Trebuie remarcat faptul că observarea într-un dispozitiv care emite energie luminoasă IR pentru o perioadă lungă de timp este nedorită din punct de vedere medical.

În plus față de sistemele de securitate, diode cu emitere IR sunt utilizate în prezent în chei de alarmă auto și diferite tipuri de transmițătoare de semnal fără fir la distanță. De exemplu, prin conectarea unui semnal modulat de joasă frecvență de la un amplificator la transmițător, folosind un receptor IR la o anumită distanță (în funcție de puterea radiației și de teren) puteți asculta și convorbirile telefonice prin a distanţă. Această metodă este mai puțin eficientă astăzi, dar este încă o alternativă la un radiotelefon de acasă. Cea mai populară aplicație (în viața de zi cu zi) a diodelor emițătoare IR este telecomanda telecomanda diverse aparate electrocasnice.

După cum orice radioamator poate verifica cu ușurință prin deschiderea capacului telecomenzii, circuit electronic Acest dispozitiv nu este complicat și poate fi repetat fără probleme. În modelele de radio amatori, dintre care unele sunt descrise în al treilea capitol al acestei cărți, dispozitive electronice cu dispozitive de emitere și recepție IR este mult mai ușor decât dispozitivele industriale.

Parametrii care determină modurile de funcționare statice ale diodelor IR (tensiune maximă admisă înainte și inversă, curent direct etc.) sunt similare cu parametrii fotodiodelor. Principalii parametri specifici prin care sunt identificați pentru diodele IR sunt:

Puterea de radiație - emisie P - flux de radiație de o anumită compoziție spectrală emisă de diodă. Caracteristica unei diode ca sursă de radiație IR este caracteristica watt-amper - dependența puterii radiației în W (miliwați) de curentul continuu care curge prin diodă. Modelul de radiație al unei diode arată o scădere a puterii de radiație în funcție de unghiul dintre direcția radiației și axa optică a dispozitivului. Diodele IR moderne diferă între a avea radiații foarte direcționale și radiații împrăștiate.

La proiectarea componentelor electronice, ar trebui să se țină cont de faptul că domeniul de transmisie a semnalului IR depinde direct de unghiul de înclinare (combinația părților de transmisie și recepție ale dispozitivului) și de puterea diodei IR. La schimbarea diodelor IR, este necesar să se țină cont de acest parametru de putere de radiație. Câteva date de referință privind diodele IR domestice sunt date în tabel. 2.2.

Datele privind schimburile de dispozitive străine și interne sunt prezentate în anexă. Astăzi, cele mai populare tipuri de diode IR în rândul radioamatorilor sunt dispozitivele gama de modele AL 156 și AL147. Sunt optime din punct de vedere al versatilității de utilizare și al costului.

Puterea de radiație a impulsului - P emis - amplitudinea fluxului de radiație, măsurată pentru un impuls de curent continuu dat prin diodă.

Lățimea spectrului de radiații este intervalul de lungime de undă în care densitatea de putere a radiației spectrale este jumătate din maxim.

Curentul de impuls direct maxim admisibil este de 1 direct (diodele IR sunt utilizate în principal în modul de funcționare în impulsuri).

Tabelul 2.2. Diode emițătoare de infraroșu

Timpul de creștere a impulsului de radiație t emisia Hap este intervalul de timp în care puterea de radiație a diodei crește de la 10 la 100% din valoarea maximă.

Parametrul de timp de decădere a impulsului t cnM 3 J 1 este similar cu cel anterior.

Factor de sarcină - Q - raportul dintre perioada de oscilații ale impulsului și durata pulsului.

Componentele electronice propuse pentru repetare (Capitolul 3 al acestei cărți) se bazează pe principiul transmiterii și recepționării unui semnal IR modulat. Dar aceasta nu este singura modalitate de a utiliza principiul de funcționare al unei diode IR. Astfel de opto-relee pot funcționa și în modul de răspuns la reflexia razelor (fotodetectorul este plasat lângă emițător). Acest principiu este concretizat în componente electronice care răspund la apropierea oricărui obiect sau persoană de nodul combinat recepție-transmițător, care poate servi și ca senzor în sistemele de securitate.

Există infinit de opțiuni pentru utilizarea diodelor IR și a dispozitivelor bazate pe acestea și sunt limitate doar de eficiența abordării creative a radioamatorului.

O fotodiodă este o diodă sensibilă la lumină care utilizează energia luminoasă pentru a crea o tensiune. Folosit pe scară largă în uz casnic și industrial sisteme automate control, unde comutatorul este cantitatea de lumină care intră. De exemplu, controlul gradului de deschidere a jaluzelelor într-un sistem smart home pe baza nivelului de iluminare

Când lumina lovește o fotodiodă, energia de la lumina care lovește materialul fotosensibil determină apariția unei tensiuni, care face ca electronii să se miște prin joncțiunea P-N. Există două tipuri de fotodiode: fotoelectrice și fotoconductoare.

Diode fotoconductoare

Astfel de diode sunt folosite pentru a controla circuitele electrice la care potenţialul este furnizat extern, adică dintr-o sursă externă.

De exemplu, pot controla modul în care se aprind și se sting luminile stradale sau pot deschide și închide ușile automate.

Într-un circuit tipic în care este instalată o fotodiodă, potențialul aplicat diodei este polarizat invers, iar valoarea acestuia este puțin mai mică decât tensiunea de defalcare a diodei. Nu trece curent printr-un astfel de circuit. Când lumina lovește dioda, tensiunea suplimentară care începe să se deplaseze prin joncțiunea P-N provoacă o îngustare a regiunii de epuizare și creează posibilitatea ca curentul să circule prin diodă. Cantitatea de curent care trece este determinată de intensitatea fluxului de lumină incident pe fotodiodă.

Diode fotovoltaice

Diodele fotovoltaice sunt singura sursă de tensiune pentru circuitul în care sunt instalate.

Un exemplu de astfel de diodă fotoelectrică este un fotometru folosit în fotografie pentru a determina iluminarea. Când lumina lovește o diodă fotosensibilă dintr-un fotoexpunere, tensiunea rezultată se declanșează metru. Cu cât iluminarea este mai mare, cu atât tensiunea apare mai mare pe diodă.

2. Semnale IP unificate

3. Atribuirea IP inversă

1. Proprietăți fotodiode, circuite de comutare, aplicație.

Fotodiodă (PD) - un receptor de radiație optică care transformă fluxul incident pe regiunea sa fotosensibilă într-o sarcină electrică datorită proceselor din joncțiunea p-n.

În fig. Figura 9 prezintă o diagramă bloc a unei fotodiode cu elemente țintă externe.

1-cristal semiconductor;

2-pini;

3-concluzii;

Fluxul F al radiației electromagnetice;

Tensiunea sursei electronice DC;

Rn-rezistenta la sarcina.

Orez. 9. Diagrama bloc fotodiodă

Principiul de funcționare

La iluminare p-n tranziția prin radiație monocromatică cu energie fotonică > ( este banda interzisă), are loc absorbția intrinsecă a cuantelor de radiație și se generează fotoelectroni și fotogăuri neechilibrați. Sub influența câmpului electric al tranziției, acești fotopurtători se deplasează: electronii - în regiunea n, iar găurile - în regiunea p, adică. un curent de deriva al purtătorilor de neechilibru trece prin joncțiune. Curentul fotodiodei este determinat de curentul purtător minoritar.

Ecuația care determină caracteristicile luminii și curent-tensiune ale celulelor fotovoltaice poate fi prezentată după cum urmează:

, (5)

, (6)

unde este curentul de scurgere întuneric prin p-ntranziţie;

- curent de saturație, adică valoarea absolută a valorii la care tinde curentul de întuneric;

O– un coeficient care depinde de materialul fotocelulei și are o valoare de la 1 la 4 (pentru fotodiodele cu germaniu este egal cu 1);

- temperaturaK;

, k(sarcina elementară);

(constanta Boltzmann);

Familia de caracteristici curent-tensiune ale unei fotodiode iluminate este prezentată în Figura 10.

Orez. 10. Caracteristicile curent-tensiune ale fotodiodei

Familia caracteristicilor curent-tensiune ale fotodiodei este situată în cadranele I, III, IV. Cadranul I este zona de nefuncționare pentru fotodiodă în acest mod, fotocontrolul curentului prin diodă este imposibil.

Cadranul IV al caracteristicii curent-tensiune fotodiodei corespunde modului de funcționare fotovoltaic al fotodiodei. Dacă ținta este deschisă, atunci concentrația de electroni în regiunea n și găurile din regiunea p crește, câmpul de încărcare spațială al atomilor de impurități din tranziție este parțial compensat și bariera potențială scade. Această reducere are loc printr-o cantitate de fotoEMF numită tensiunea în circuit deschis a fotodiodei Uxx. Valoarea lui Uxx pentru PD este de 0,5-0,55V pentru GaAs - arseniura de galiu Uxx=0,8÷0,9V și nu poate depăși diferența de potențial de contact a joncțiunii, deoarece în acest caz câmpul electric este complet compensat și separarea fotopurtătorilor în se oprește de joncțiune.

Dacă regiunile p și n sunt conectate printr-un conductor extern (mod scurt-circuit), atunci Uxx=0 și un curent de scurtcircuit format din fotopurtători neechilibrați va curge în conductor.

Valorile intermediare sunt determinate de liniile de sarcină, care la valori diferite lasă originea în unghiuri diferite. Pentru o anumită valoare a curentului, în funcție de caracteristica curent-tensiune PD, este posibil să se selecteze modul optim de funcționare al fotodiodei, în care cea mai mare putere electrică va fi transferată la sarcină.

Principalele caracteristici luminoase ale unei fotodiode în modul fotovoltaic sunt dependența curentului de scurtcircuit de fluxul luminos și tensiunea în circuit deschis din fluxul luminos Uхх = , dependențele lor tipice sunt prezentate în Figura 11.

După cum se poate observa din Fig. 11, dependența liniară într-o gamă largă de Ф și numai la fluxuri de lumină semnificative (Ф>2000...3000lm) începe să apară neliniaritatea.

Dependența Uxx = este și ea liniară, dar cu fluxuri de lumină care nu depășesc 200÷300 lm, are neliniaritate semnificativă la Ф mai mult de 4000 lm. Neliniaritate pe măsură ce F crește, se explică printr-o creștere a căderii de tensiune pe rezistența de volum a bazei fotodiodei, iar neliniaritatea Uхх = se explică printr-o scădere a barierei de potențial odată cu creșterea F.

Caracteristicile PD sunt foarte dependente de temperatură. Pentru PD de siliciu, Uxx scade cu 2,5 mV cu o creștere a temperaturii cu 1˚С, în timp ce Icr crește în unități relative cu 3∙10 -3 1/˚С.

Orez. 11. Caracteristicile luminii ale fotodiodei

Cadranul III este regiunea fotodiodei a funcționării PD, în care se aplică tensiune inversă joncțiunii p-n (Fig. 9)

CVC rezistență de sarcină este o linie dreaptă, a cărei ecuație este:

,

unde este tensiunea inversă pe PD,

– fotocurent.

Fotodioda și rezistența de sarcină sunt conectate în serie, adică. prin ele circulă același curent . Acest curent poate fi determinat de punctul de intersecție a caracteristicii I-V a fotodiodei și rezistența de sarcină.

Astfel, în modul fotodiodă, pentru un flux de radiație dat F, fotodioda este o sursă de curent în raport cu circuitul extern. Mai mult, valoarea curentului practic nu depinde de parametrii circuitului extern (,).

Lucrare de laborator nr 16

Studiu fotodiode

Ţintă: Familiarizați-vă cu principiul funcționării, proiectarea, caracteristicile și aplicarea fotodiodelor semiconductoare.

Dispozitive și accesorii: fotodioda cu germaniu FD-7G, suport pentru masurarea caracteristicilor curent-tensiune ale diodelor, banc optic cu iluminator, sursa de alimentare, osciloscop.

Introducere teoretică

Fotodiodă numită diodă semiconductoare care este sensibilă la lumină și proiectată să transforme fluxul luminos (radiația optică) într-un semnal electric.

Principiul de funcționare nu este diferit de un fotoconvertor de energie solară, fotodiodele au propriile lor caracteristici de proiectareși caracteristici care sunt determinate de scopul lor.

Fotodiodele sunt destinate utilizării ca receptori și senzori de radiații optice (de obicei vizibile și infraroșii) ca parte a echipamentelor și diferitelor dispozitive care utilizează radiații vizibile și infraroșii.

Funcționarea fotodiodelor se bazează pe fenomenul efectului fotoelectric intern, în care, sub influența luminii, în semiconductor apar electroni suplimentari (neechilibru) și găuri, creând un fotocurent sau fotovoltaj.

1. Principiul de funcționare al fotodiodelor cu joncțiune p-n.În fotodiode, elementul fotosensibil este regiunea de tranziție - o joncțiune p-n, situată între regiunile cu conductivitate electronică și orificiu (Fig. 1).

Formarea unei joncțiuni p-n. Un semiconductor de tip n conține un anumit număr de atomi de impurități de tip donator, care sunt aproape toți ionizați la temperatura camerei. Astfel, într-un astfel de semiconductor există n aproximativ electroni liberi și același număr de ioni de impurități donatori imobili încărcați pozitiv.

Într-un semiconductor de gaură (semiconductor de tip p) apare o situație similară. Conține p o găuri libere și același număr de ioni încărcați negativ ai atomilor acceptori. Principiul formării unei joncțiuni pn este prezentat în Fig. 1.

Când regiunile p și n intră în contact în ele, datorită prezenței unui gradient de concentrație de electroni și găuri, un flux de difuzie de electroni ia naștere de la un semiconductor de tip n la un semiconductor de tip p și, invers, un flux. de găuri de la un semiconductor p la un semiconductor n. Electronii transferați din regiunea n în regiunea p se recombină cu găuri din apropierea interfeței. Găurile se recombină în mod similar, deplasându-se din regiunea p în regiunea n. Ca rezultat, practic nu există purtători de sarcină liberi (electroni și găuri) în apropierea joncțiunii p-n.

Astfel, pe ambele părți ale joncțiunii p-n se formează un strat dublu încărcat format din ioni de impurități staționare (alte denumiri sunt strat de epuizare sau regiune de încărcare spațială (SCR), strat de blocare), creând un câmp electric puternic. Câmpul electric al stratului de blocare este direcționat din regiunea n către regiunea p și contracarează procesul de difuzie a purtătorilor majoritari de sarcină din regiunile îndepărtate de joncțiunea p-n către regiunea de epuizare. Această stare este de echilibru și, în absența perturbărilor externe, poate exista la infinit.

Orez. 1 – Educație joncțiune pn Orez. 2

Principiul de funcționare al unei fotodiode. Radiația optică (lumina) absorbită într-o structură semiconductoare cu o joncțiune p-n creează perechi electron-gaură libere cu condiția ca energia fotonului hν să depășească banda interzisă a semiconductoarelor De exemplu.

Electronii liberi și găurile apar atât în ​​regiunile p și n ale tranziției, cât și în imediata apropiere a stratului de blocare. Câmpul electric existent în stratul de blocare (câmpul joncțiunii p-n) separă purtătorii de sarcină liberi creați de lumină, în funcție de semnul lor, în diferite părți ale fotodiodei: electronii liberi se deplasează în regiunea n a joncțiunii și găurile se deplasează în regiunea p, ceea ce duce la încărcarea acestor regiuni (Fig. 2).

Când este iluminat, găurile se acumulează în regiunea p, încărcându-l pozitiv. Electronii se acumulează în regiunea n, încărcându-l negativ. Prin urmare, între ele apare o diferență de potențial.

În acest caz, sunt posibile două moduri de funcționare ale dispozitivului: în circuite cu și fără sursă de alimentare externă. Modul de funcționare al unei fotodiode cu o sursă de alimentare externă se numește fotodiodă, iar fără o sursă de alimentare externă - modul fotovoltaic (un alt nume este modul fotovoltaic).

Modul de generare.În acest caz, nu se aplică nicio tensiune externă la joncțiune și circuitul este deschis. Iluminarea duce la acumularea de fotoelectroni în regiunea n și găuri în regiunea p. Ca rezultat, se formează o diferență de potențial U f (deseori numită „tensiune

Orez. 3 Fig. 4 – Caracteristicile curent-tensiune ale fotodiodei

la diferite fluxuri de lumină (F 1< Ф 2 < Ф 3).

ralanti U xx "), adică apare fototensiune. Acumularea de electroni și găuri în exces nu are loc la infinit. Concomitent cu creșterea concentrației de găuri în regiunea găurilor și a electronilor în regiunea electronică, bariera potențială a tranziției scade cu valoarea fototensiunii și difuzia purtătorilor majoritari de sarcină are loc prin joncțiunea p-n. Echilibrul dinamic se instalează.

Când o sarcină R n este conectată la bornele externe ale fotodiodei, în circuitul acesteia va apărea un curent (Fig. 3). În circuitul extern, fotocurentul este direcționat din regiunea p către regiunea n. În astfel de condiții, fotodioda funcționează ca un convertor al energiei radiației în energie electrică.

Caracteristica curent-tensiune a unei joncțiuni p-n iluminate. Caracteristica curent-tensiune a joncțiunii p-n sub iluminare poate fi scrisă în următoarea formă:

, (1)

unde I n este curentul de saturație în întuneric; I f - fotocurent, adică curentul creat de purtătorii de sarcină excitați de lumină și care trece prin joncțiunea p-n; U – tensiune externă la joncțiune.

În fig. Figura 4 prezintă grafice ale dependențelor curent-tensiune pentru diferite fluxuri de lumină F. În absența iluminării (I f = 0), caracteristica curent-tensiune (întunecată) trece prin originea coordonatelor. Curbele rămase, corespunzătoare anumitor fluxuri de lumină, sunt deplasate de-a lungul axei ordonatelor (axa curentului) cu segmente egale cu puterea fotocurentului - I f. Din expresia (1) este clar că atunci când este pornit din nou (U< 0) и при

(qU >> kT) curent prin joncțiunea I = - (I n + I f).

Părți din curbele situate în al treilea cadran corespund modului de funcționare a fotodiodei): părți ale curbelor situate în al patrulea cadran corespund modului de generare a fototensiunii.

Dacă puterea curentului în circuitul extern este I = 0 (circuitul este deschis), atunci din expresia (1) puteți găsi tensiunea circuitului deschis U f.

(2)

Dacă fotodioda în modul de generare este conectată la un circuit extern cu rezistență scăzută, atunci fotoelectronii din regiunea n nu se acumulează și U f = 0. Și, deoarece nu există tensiune externă, curge un curent I = - I f. circuitul, numit adesea curent de scurtcircuit și direct proporțional cu fluxul luminos I f ~ F.

Orez. 5 – Schema bloc și circuitul fotodiodei

pornirea acestuia când funcționează în modul fotodiodă: Fig. 6

1 - cristal semiconductor; 2 - contacte;

3 - concluzii; F - flux electromagnetic

radiații; n şi p - regiuni ale semiconductorului;

E - sursa de curent continuu; R n - sarcină.

Modul fotodiodă.În acest mod, tensiunea inversă este aplicată joncțiunii p-n

(regiunea p este conectată la minusul sursei de tensiune, iar regiunea n la plusul sursei; Fig. 5). Circuitul include și o rezistență de sarcină (rezistor) R n. În acest caz, joncțiunea are o rezistență enormă și un curent invers slab trece prin ea (curent de saturație în întuneric I n). Când o fotodiodă este iluminată, curentul prin ea crește brusc datorită apariției unui fotocurent și poate depăși semnificativ curentul de întuneric In (Fig. 4). Căderea de tensiune pe rezistența de sarcină Rn se modifică în consecință. Cu alegerea corectă a sursei de tensiune și a rezistenței externe Rn, mărimea semnalului electric (tensiunea pe rezistor) poate fi mare și, prin urmare, fotodiodele sunt utilizate pe scară largă pentru înregistrarea și măsurarea semnalelor luminoase.

Curentul prin fotodiodă este determinat în principal de fluxurile de purtători minoritari de sarcină neechilibrați (electroni din regiunea p și găurile din regiunea n) care apar în timpul iluminării și nu depinde de tensiune, adică are caracterul de un curent de saturație.

Prin urmare, în modul fotodiodă, se observă o dependență liniară strictă a fotocurentului de iluminare până la valori foarte mari de iluminare. Acesta este un avantaj important al fotodiodelor.

Pentru a înregistra semnale optice variabile (fluxuri de lumină), circuitul prezentat în Fig. 6. Modificarea fluxului de lumină incident pe fotodiodă determină o componentă de curent alternativ în circuit, care repetă modificările intensității luminii. Și aceleași modificări de tensiune apar pe rezistorul Rn, care este furnizat la intrarea sistemului de înregistrare. Pentru a separa (nu pierde) componenta de curent continuu a tensiunii peste rezistor, un condensator de decuplare C este amplasat în circuitul de semnal. 2. Tehnologia de fabricație și design.

Pentru fabricarea joncțiunilor p-n în producția de fotodiode, se utilizează metoda de fuziune și difuzie a impurităților. Atenția principală este acordată adâncimii de locație a joncțiunii p-n în raport cu

Fig. 7 – Proiectarea muşcatei Fig. 8 – Caracteristici spectrale

suprafața iluminată a cristalului, deoarece determină inerția (viteza) fotodiodei. Figura 7 prezintă proiectarea fotodiodei cu germaniu FD-1 într-o carcasă metalică. O placă rotundă 1, tăiată dintr-un singur cristal de germaniu cu conductivitate electrică de tip n, este fixată cu ajutorul unui suport de cristal 2 într-o carcasă kovar 3. Plumbul 4 de la un electrod de indiu topit în germaniu este trecut printr-un tub kovar 5, fix. cu un izolator de sticlă 6 în piciorul carcasei 7. Un alt electrod este corpul fotodiodei însuși, deoarece cristalul de germaniu este lipit de suportul de cristal cu un inel de tablă 8. În corpul fotodiodei există un orificiu rotund, închis de o lentilă de sticlă 9, care colectează fluxul de lumină pe suprafața limitată a plăcii de germaniu. Pentru a proteja joncțiunea p-n de influențele mediului, carcasa fotodiodei este etanșată.

Unele tipuri de fotodiode au o carcasă din plastic. Materialul unei astfel de carcase și ferestrele din carcasa metalică sunt alese astfel încât să fie transparente pentru acea parte a spectrului (radiația) la care această fotodiodă ar trebui să fie sensibilă. Deci, pentru dispozitivele cu germaniu, aceasta este lumină vizibilă și radiație infraroșie cu unde scurte.

Materiale Ge, Si, GaAs, HgCdTe și alți compuși semiconductori sunt utilizați pentru a face fotodiode.

Principalele caracteristici și parametri ai fotodiodelor

- Sensibilitate S - un parametru care reflectă modificarea semnalului electric (curent sau tensiune) la ieșirea fotodiodei atunci când este iluminată.

Se măsoară cantitativ prin raportul dintre modificarea caracteristicii electrice (curent I f sau tensiune U f) măsurată la ieșirea fotodiodei și fluxul de radiație F incident asupra dispozitivului.

S I = I f / F- sensibilitate la curent, S v = U f / F- sensibilitatea la tensiune.

- Pragul de sensibilitate F p– valoarea fluxului luminos minim înregistrat de fotodiodă, pe unitatea de bandă de frecvență de funcționare.

- constanta de timp τ, care caracterizează inerția dispozitivului, adică viteza acestuia.

Acesta este timpul în care fotocurentul fotodiodei se modifică după iluminare sau după întunecarea fotodiodei de e ori în raport cu valoarea în regim stabil.

Pentru fotodiodele cu o joncțiune pn este 10 -6 – 10 -8 s.

- Rezistență la întuneric RT– rezistența fotodiodei în absența iluminării.

- Caracteristica spectrală– dependența fotocurentului de lungimea de undă λ a luminii incidente pe fotodiodă. Pentru fotodiodele cu germaniu și siliciu, caracteristicile spectrale sunt prezentate în Fig. 8. Lungimea de undă la care apare sensibilitatea maximă este de aproximativ λ max = 800 – 900 nm pentru fotodiodele cu siliciu pentru fotodiodele cu germaniu este la λ max = 1500 – 1600 nm.

- Caracteristica curent-tensiune- dependenta curentului luminos de tensiune la un flux luminos constant.

- Caracteristica luminii - dependența fotocurentului de iluminare.

Alți parametri sunt afișați în tabel.

Denumirea grafică convențională a fotodiodelor este prezentată în Fig. 9, fotografiile unor fotodiode sunt prezentate în Fig. 10.

Orez. 9 Fig.10

4. Aplicarea fotodiodelor. Fotodiodele moderne au cea mai bună combinație de parametri de bază:

1. Sensibilitate ridicată la semnale optice;

2. Performanță ridicată;

3. Tensiune scăzută de funcționare;

4. Dependența liniară a fotocurentului de iluminare într-o gamă largă de iluminare.

5. Nivel scăzut de zgomot;

6. Simplitatea dispozitivului.

Prin urmare, ele sunt utilizate pe scară largă în dispozitivele de automatizare, tehnologia computerului și laser și liniile de comunicație cu fibră optică.

În viața de zi cu zi, fotodiodele sunt folosite în dispozitive precum cititoare de CD-uri, camere moderne și diverse dispozitive cu senzori.

De exemplu, fotodiodele cu infraroșu sunt folosite în telecomenzi, securitate, securitate și sisteme de automatizare.

Există fotodiode cu raze X folosite pentru a detecta radiațiile ionizante și particulele de înaltă energie. O aplicație importantă este în dispozitivele medicale, cum ar fi aparatele de tomografie computerizată.

A face treaba

Sarcina 1. Măsurarea caracteristicii curent-tensiune a unei fotodiode în absența iluminării (în întuneric).