Принцип работы фотодиода кратко

Обновлено: 05.07.2024

Особое место в электротехнике занимают фотодиоды, которые применяются в различных устройствах и приборах. Фотодиодом называется полупроводниковый элемент, по своим свойствам подобный простому диоду. Его обратный ток прямо зависит от интенсивности светового потока, падающего на него. Чаще всего в качестве фотодиода применяют полупроводниковые элементы с р-n переходом.

Устройство и принцип действия

Фотодиоды входят в состав многих электронных устройств. Поэтому они и приобрели широкую популярность. Обычный светодиод – это диод с р-n переходом, проводимость которого зависит от падающего на него света. В темноте фотодиод обладает характеристиками обычного диода.

1 – полупроводниковый переход.
2 – положительный полюс.
3 – светочувствительный слой.
4 – отрицательный полюс.

При действии потока света на плоскость перехода фотоны поглощаются с энергией, превышающей предельную величину, поэтому в n-области образуются пары носителей заряда — фотоносители.

Обратный ток диода при воздействии света повышается. Значение, на которое повышается обратный ток, называют фототоком.

Режимы работы

Фотодиоды способны функционировать в следующих режимах:

Режим фотогенератора. Без подключения источника электричества.
Режим фотопреобразователя. С подключением внешнего источника питания.

В работе фотогенератора фотодиоды используются вместо источника питания, которые преобразуют солнечный свет в электрическую энергию. Такие фотогенераторы называются солнечными элементами. Они являются основными частями солнечных батарей, применяемых в различных устройствах, в том числе и на космических кораблях.

КПД солнечных батарей на основе кремния составляет 20%, у пленочных элементов этот параметр значительно больше. Важным свойством солнечных батарей является зависимость мощности выхода к весу и площади чувствительного слоя. Эти свойства достигают величин 200 Вт / кг и 1 кВт/м 2 .

При функционировании фотодиода в качестве фотопреобразователя , источник напряжения подключается в схему обратной полярностью. При этом применяются обратные графики вольт-амперной характеристики при разных освещенностях.

Напряжение и ток на нагрузке R_н определяются на графике по пересечениям характеристики фотодиода и нагрузочной линии, которая соответствует резистору R_н. В темноте фотодиод по своему действию равнозначен обычному диоду. Ток в режиме темноты для кремниевых диодов колеблется от 1 до 3 микроампер, для германиевых от 10 до 30 микроампер.

Виды фотодиодов

Существует несколько различных видов фотодиодов, которые имеют свои достоинства.

p – i – n фотодиод

В области р-n у этого диода имеется участок с большим сопротивлением и собственной проводимостью. При воздействии на него света возникают пары дырок и электронов. Электрическое поле в этой зоне имеет постоянное значение, пространственный заряд отсутствует.

Этот вспомогательный слой значительно снижает емкость запирающего слоя, и не зависит от напряжения. Это расширяет полосу рабочих частот диодов. В результате скорость резко повышается, и частота достигает 10 10 герц. Повышенное сопротивление этого слоя значительно уменьшает ток работы при отсутствии освещения. Чтобы световой поток смог проникнуть через р-слой, он не должен быть толстым.

Лавинные фотодиоды

Такой вид диодов является полупроводниками с высокой чувствительностью, которые преобразуют освещение в сигнал электрического тока с помощью фотоэффекта. Другими словами, это фотоприемники, усиливающие сигнал вследствие эффекта лавинного умножения.

1 — омические контакты 2 — антиотражающее покрытие

Лавинные фотодиоды более чувствительны, в отличие от других фотоприемников. Это дает возможность применять их для незначительных мощностей света.

В конструкции лавинных фотодиодов применяются сверхрешетки. Их суть заключается в том, что значительные различия ударной ионизации носителей приводят к падению шумов.

Другим достоинством применения аналогичных структур является локализация лавинного размножения. Это также снижает помехи. В сверхрешетке толщина слоев составляет от 100 до 500 ангстрем.

Принцип действия

При обратном напряжении, близком к величине лавинного пробоя, фототок резко усиливается за счет ударной ионизации носителей заряда. Действие заключается в том, что энергия электрона повышается от внешнего поля и может превзойти границу ионизации вещества, вследствие чего встреча этого электрона с электроном из зоны валентности приведет к появлению новой пары электрона и дырки. Носители заряда этой пары будут ускоряться полем и могут способствовать образованию новых носителей заряда.

Характеристики

Свойства таких световых диодов можно описать некоторыми зависимостями.

Вольт-амперная

Эта характеристика является зависимостью силы тока при постоянном потоке света от напряжения.

I — ток M — коэффициент умножения U — напряжение

Световая

Это свойство является зависимостью тока диода от освещения. При возрастании потока света, фототок повышается.

Спектральная

Это свойство является зависимостью тока диода от длины световой волны, и является шириной пограничной зоны.

Постоянная времени

Это время, за которое фототок диода меняется после подачи света в сравнении с установившимся значением.

Темновое сопротивление

Это значение сопротивления диода в темноте.

Инерционность

Факторы, влияющие на эту характеристику:

Время диффузии неравновесных носителей заряда.
Время прохождения по р-n переходу.
Период перезарядки емкости барьера р-n перехода.

Сфера применения

Фотодиоды являются основными элементами многих оптоэлектронных приборов.

Интегральные микросхемы (оптоэлектронные)

Фотодиод может иметь значительную скорость работы, но коэффициент усиления тока составляет не более единицы. Вследствие оптической связи микросхемы имеют существенные преимущества: идеальная гальваническая развязка цепей управления от мощных силовых цепей. При этом между ними сохраняется функциональная связь.

Фотоприемники с несколькими элементами

Эти устройства в виде фотодиодной матрицы, сканистора, являются новыми прогрессивными электронными устройствами. Их оптоэлектронный глаз с фотодиодом может создавать реакцию на пространственные и яркостные свойства объектов. Другими словами, он может видеть полный его зрительный образ.

Количество ячеек, чувствительных к свету, очень большое. Поэтому, кроме вопросов быстродействия и чувствительности, необходимо считывание информации. Все фотоприемники с множественными фотоэлементами являются сканирующими системами, то есть, приборами, которые позволяют анализировать исследуемое пространство последовательным поэлементным просмотром.

Фотодиоды также нашли широкое применение в оптоволоконных линиях, лазерных дальномерах. Недавно такие световые диоды стали использоваться в эмиссионно-позитронной томографии.

В настоящее время имеются образцы светочувствительных матриц, состоящих из лавинных фотодиодов. Их эффективность и область применения зависит он некоторых факторов.

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 (т.е. атомов с пространством для электронов), 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

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

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.

В электротехнике широко используются различные приборы и устройства, связанные с особенностями и физическими свойствами материалов. Среди них особое место занимают фотодиоды, принцип работы которых основан на воздействии оптического излучения. В результате, материал изменяет свои качества, что позволяет ему выполнять различные функции в электрических цепях.

Принцип действия фотодиода

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

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

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

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

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

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

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

Характеристики фотодиодов

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

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

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

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.

Принцип работы фотодиодов

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

Ультрафиолетовые детекторы

Хотя кремний чувствителен в первую очередь к видимым длинам волн, кремниевый фотодиод можно оптимизировать для улучшения отклика и в ультрафиолетовом диапазоне. Эти устройства называются кремниевыми ультрафиолетовыми фотодиодами.

Вы, наверное, знакомы с карбидом кремния (SiC). Это набирающий популярный полупроводниковый материал, который в первую очередь ассоциируется с мощными полевыми MOSFET транзисторами, но оказывается, что диоды из SiC отлично подходят для использования в качестве детекторов ультрафиолетового излучения.

Фотодиоды из карбида кремния – это прочные устройства, которые по своей природе чувствительны только к ультрафиолетовому свету в диапазоне от 200 до 400 нм.

Рисунок 2 – Нормализованный спектральный отклик фотодиода из карбида кремния, производимого Electro Optical Components

Этот ограниченный спектральный отклик означает, что SiC-фотодиоды не требуют оптической фильтрации в системах, которые должны предотвращать влияние видимого или инфракрасного света на измерения в ультрафиолетовом диапазоне.

Если вам необходимо только расширить чувствительность до ультрафиолетового излучения, кремниевые ультрафиолетовые фотодиоды – это именно то, что вам нужно. Они сохраняют свою чувствительность в видимом диапазоне; на самом деле их чувствительность к видимому свету намного выше, чем к инфракрасному излучению.

Математическая зависимость между силой падающего света и генерируемым фототоком называется чувствительностью. Пиковая чувствительность SiC-фотодиодов довольно низкая по сравнению с пиковой чувствительностью кремниевых фотодиодов, но пиковая чувствительность кремния не имеет отношения к ультрафиолетовым приложениям, потому что она возникает далеко от длин волн ультрафиолетового излучения. Чувствительность SiC аналогична чувствительности кремния, если мы говорим только про участок спектра 200–400 нм.

Режимы работы

Фотодиоды разделяют по режиму функционирования.

Режим фотогенератора

Режим фотопреобразования

Резюме

Кремниевые фотодиоды обеспечивают удобное и эффективное измерение освещенности в видимой области спектра. Стандартными материалами для детектирования инфракрасного излучения являются антимонид индия (InSb), арсенид индия-галлия (InGaAs), германий (Ge) и теллурид кадмия-ртути (HgCdTe). Для ультрафиолетовых приложений можно использовать кремний, а также стоит рассмотреть карбид кремния, если вам нужна надежная работа при высоких температурах, или если ваш детектор должен игнорировать видимый и инфракрасный свет.

Robert Keim. Characteristics of Different Photodiode Technologies

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

Схемы с фотодиодами, где используются и примеры сборок

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.

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:

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

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

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.

Схемы с фотодиодами на Arduino

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

Простые пульты управления:

Разновидности фотодиодов

Лавинные

С барьером Шоттки

С гетероструктурой

Температурная устойчивость

Обнаружители состоят из тонкой пленки на стеклянной подложке. Эффективная форма и рабочая площадь фотопроводящей поверхности могут значительно варьироваться в зависимости от условий эксплуатации. При этом рабочие характеристики прибора также меняются, в частности – чувствительность детектора изменяется в зависимости от рабочей температуры. Температурные характеристики запрещенных полос в соединениях PbS и PbSe отрицательны, поэтому охлаждение детектора сдвигает диапазон спектрального отклика на область более длинных волн. Для достижения наилучших результатов рекомендуется использовать фотодиоды в стабильной среде.

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.

Читайте также: