фотодиод характеристики и параметры

Исчерпывающая информация о фотодиодах

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.

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

Схема фотодиода

Режимы работы

Фотодиоды разделяют по режиму функционирования.

Режим фотогенератора

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

Режим фотопреобразования

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

Основные параметры

Свойства фотодиодов определяют следующие характеристики:

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

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

Источник

Фотодиоды. Виды и устройство. Работа и характеристики

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.

При смешивании фотоносителей в глубине области «n» основная часть носителей не успевает рекомбинировать и проходит до границы р-n. На переходе фотоносители делятся электрическим полем. При этом дырки переходят в область «р», а электроны не способны пройти переход, поэтому накапливаются возле границы перехода р-n, а также области «n».

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

Фотоносители в виде дырок осуществляют положительный заряд области «р», по отношению к области «n». В свою очередь электроны производят отрицательный заряд «n» области относительно «р» области. Возникшая разность потенциалов называется фотоэлектродвижущей силой, и обозначается «Е_ф». Электрический ток, возникающий в фотодиоде, является обратным, и направлен от катода к аноду. При этом его величина зависит от величины освещенности.

Режимы работы

Фотодиоды способны функционировать в следующих режимах:

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.

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:

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.

Источник

Что такое фотодиод

Фотодиод – радиодеталь, имеющая высокую фоточувствительность диода с переходом p-n. При появлении света, внутри него возникает электронно-дырочная пара. Ток имеет тоже направление что и обратный токовый переход. В случае попадания излучения на фотодиод, оно частично рассеивается, а большая его часть просто поглощается. При этом возникают носители этого заряда, то есть дырки и электроны, что приводит к высокой электропроводности.

Это свойство объясняет их популярность при производстве самых различных датчиков, элементов управления и других устройствах, работающие с привязкой к свету и его интенсивности. Статья содержит подробную информацию о данных радиодеталях и как они используются.

Принципы действия

Фотодиоды преобразуют световые сигналы прямо в электрические,, используя обрат-лый пр сравнению со светодиодами физический процесс. В p-i-n-фотодиоде есть широкий внутренний (i-) полупроводниковый слой, разделяющий зоны р- и n-типа, как показано на рис. 6.9. На диод подается обратное смещение (5-20 вольт), это помогает удерживать лосители заряда от внутренней области.

То же происходит с дырками, генерируемыми в /7-области. Неосновные носители, генерируемые в области освещения объемного заряда перехода, перемещаются в область с соответствующим типом проводимости. В результате разделения неравновесных носителей заряда высота потенциального барьера на границе р—п-перехода понижается и возникает обратный ток, пропорциональный освещенности.

Вольт-амперные характеристики фотодиода в квадранте I соответствуют включению в прямом направлении. Квадрант 111 соответствует случаю работы диода в фотодиодном и фотогальваническом режимах. По оси напряжения можно определить фотоЭДС при различной интенсивности принимаемого светового потока Ф и нулевом сопротивлении нагрузки, а по оси тока — фототок при различных значениях Ф и нулевом сопротивлении нагрузки. Характеристики в квадранте III соответствуют включению прибора в фотодиодном режиме. В паспорте фотодиода обычно указывают рабочее напряжение (?/_раб) и напряжение электрического пробоя (?/_пр), позволяющие использовать фотодиод в оптимальном режиме.

Люкс-амперные характеристики кремниевых фотодиодов линейны до интенсивности, превышающей сотни тысяч люкс. Насыщение фотодиода и выход на нелинейный участок в фотогальваническом режиме наступают при меньших уровнях освещенности, по сравнению с фотодиодным. Насыщение германиевого фотодиода в фотодиодном режиме происходит при интенсивности облучения в тысячи — десятки тысяч люкс. Фоточувствительность и обнаружительная способность фотодиода уменьшается, а уровень собственных шумов увеличивается с увеличением температуры прибора в связи с увеличением тем- нового тока.

Вольт-амперную характеристику при отсутствии облучения называют темповой. Значение темнового тока /_х при заданной температуре окружающей среды и рабочем напряжении обычно указывают в паспорте прибора. Темновой ток кремниевых и германиевых фотодиодов зависит от температуры окружающей среды. С повышением температуры на каждые 10 °С темновой ток германиевых приборов увеличивается в два, а кремниевых — в 2,5 раза. При этом максимум спектральной характеристики сдвигается в сторону более коротких волн. Понижение температуры приводит к противоположным изменениям, т.е. к повышению чувствительности, снижению шумов, расширению спектрального диапазона. Поэтому для улучшения работы фотодиодов применяют охлаждение полупроводниковым холодильником на основе эффекта Пельтье.

Принцип работы и схема включения фотодиода в вентильном (фотогенераторном) режиме циального барьера перехода уменьшает также контактную разность потенциалов в переходе е_к, что ослабляет дрейф электронов из р- области в «-область. Между встречными потоками электронов наступает динамическое равновесие (поток электронов из /7-области равен потоку электронов из «-области). Однако в результате дрейфа увеличивается концентрация основных отрицательно заряженных зарядов — электронов в «-области и положительно заряженных дырок в /7-области и создается разность потенциалов между р- и «-областями, которая зависит от интенсивности светового потока и называется фотоэлектродвижущей силой (фотоЭДС).

Обычно она составляет 0,1—1 В и не может быть больше контактной разности потенциалов в потенциальном барьере. Образование фотоЭДС, обусловленное перераспределением зарядов между /7- и «-полупроводниками за счет фотопотока, называется фотогальваническим эффектом. Таким образом, в результате образования фотоЭДС частично компенсируется контактная разность потенциалов р-п-перехода и тем самым снижается его потенциальный барьер.

Если области полупроводника, образующие /7-«-переход, замкнуть внешней цепью, то в ней потечет фототок /_ф, направление которого совпадает с направлением тока неосновных носителей заряда /7-области, т.е. фототок течет в том же направлении, что и обратный ток /7-«-перехода при подаче напряжения обратного смещения. Основными характеристиками фотодиодов являются световая, вольт-амперная и спектральная характеристики, снятые по схеме. Рассмотрим основные характеристики фотодиода в фотодиодном (фотопреобразовательном) режиме.

Ширина внутреннего слоя гарантирует, что высока вероятность поглощения входящих фотонов именно этим слоем, а не областями р- или n-типа. Внутренний слой имеет высокое сопротивление, поскольку в нем нет свободных носителей заряда. Это приводит к падению большей части напряжения на этот слой, и результирующее электрическое поле повышает скорость ответа и снижает шум. Когда луч света с подходящей энергией попадает на внутренний слой, он создает пару электрон – дырка, поднимая электрон из валентной зоны в зону проводимости и оставляя на его месте дырку. Напряжение смещения заставляет эти носители заряда (электроны в зоне проводимости) быстро смещаться из переходной зоны, создавая ток, пропорциональный падающему свету.

Длина волны отсечки

У входящего фотона должно быть достаточно энергии для подъема электрона через запрещенную зону и создания пары электрон – дырка. У различных полупроводниковых материалов ширина запрещенной зоны различная, энергетический барьер в электрон-вольтах (эВ) может быть связан с длиной волны (λ) с помощью того же самого уравнения, как для светодиодов. Для конкретного типа детектора энергетический барьер W есть величина постоянная, поэтому вышеприведенная формула дает максимальную длину волны, которая может быть зафиксирована, то есть длину волны отсечки.

Чувствительность

Спектральная характеристика

Спектральная характеристика показывает изменение чувствительности в зависимости от длины волны. Типичные кривые спектральной характеристики для кремниевых и InGaAs p-i-n-диодов показаны на рис. 6.10.

Квантовая эффективность

Квантовая эффективность излучателя определяется как отношение числа выделенных электронов к числу падающих фотонов. У кремния и InGaAs пиковая квантовая эффективность около 80%.

Скорость ответа

Скорость ответа детектора ограничена временем прохода, которое является временем преодоления свободными зарядами ширины внутреннего слоя. Это функция напряжения обратного смещения и физической ширины. Для быстрых p-i-n-диодов она колеблется от 1,5 до 10 нс. Емкость также влияет на ответ устройства, причем емкость перехода образует изолирующим внутренним слоем между электродами, образованными p- и n-областями. У высокоскоростных фотодиодов время ответа может достигать 10 пикосекунд при емкости в несколько пикофарад с очень маленькими площадями поверхностей.

Вольтамперная характеристика

Типичные вольтамперные (I-U) кривые для кремниевого p-i-n-фотодиода показа, на рис. 6.11. Можно видеть, что даже когда нет оптической мощности, течет небольшой обратный ток, который называется темновым током (dark current). Он вызывается температурным образованием свободных носителей зарядов, обычно удваиваясь через каждые 10°С прироста температуры после 25°С.

Динамический диапазон

Линейная зависимость между напряжением и оптической мощностью, показанная на рис. 6.11 сохраняется обычно на протяжении около шести десятков, давая динамический диапазон около 50 дБ.

Конструкция p-i-n-фотодиодов

Конструкция p-i-n-фотодиодов подобна использовавшейся для светодиодов и лазеров, но оптические требования менее критичны. Активная область детекторов обычно гораздо больше, чем сердечник волокна, поэтому поперечное выравнивание не создает проблем. У фотопроводящих материалов падающий свет приводит к увеличению числа заряженных частиц в активной области, что уменьшает сопротивление детектора. Изменение сопротивления влечет к изменению регистрируемого напряжения, поэтому фоточувствительность принято выражать в единицах В / Вт.

Частотный отклик

Для получения сигналов переменного тока фотопреобразователи должны подключаться в цепь, где присутствует импульсный сигнал. То есть при использовании этих детекторов в схемах с CW-источниками следует подключать оптический прерыватель. Сигнал фотокондуктора будет оставаться постоянным до предельного времени отклика. Многие детекторы, включая устройства на PbS, PbSe, HgCdTe (MCT) и InAsSb, имеют спектр шума 1 / f (т. е. шум уменьшается с увеличением частоты модуляции), что существенно влияет на время отклика на более низких частотах. Детектор будет проявлять меньшую чувствительность на более низких частотах модуляции.

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.

Источник

Фотодиоды и их применение в схемотехнике

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

Понятие фотодиода

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

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

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

Надо отличать разные радиодетали с приставкой «фото»:

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

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

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

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

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

Структура

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

Фотодиод схема структуры:

Принципы работы фотодиодов

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

Так выглядит диод в спокойном состоянии:

Более сложное объяснение:

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

Режимы фотодиодов

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

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

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

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

Как отличаются два режима фотодиодов

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

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

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

Характеристики фотодиодов для выбора

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

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

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

Чувствительность может измеряться при разных параметрах света:

Световая или энергетическая характеристика. Объяснена на рисунке ниже:

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

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

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

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

Варианты, типы фотодетекторов

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

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

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

Фотодиод p-i-n

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

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

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

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

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

Лавинные

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

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

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

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

С барьером Шоттки

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

Указанные выше способности позволяют применять оптодиоды при СВЧ модуляциях излучений.

Гетероструктурные

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

Проверка фотодиода мультиметром

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

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

Схемы с фотодиодами, где используются и примеры сборок

Основы схем с фотодиодами

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

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

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

Схема простого фотодиодного реле

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

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

На рис. выше простое реле:

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

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

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

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

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

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

Еще чертежи фотореле

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

В сборке ниже можно применить вместо фоторезистора фотодиод:

Простое фотореле для включения света при наступлении темной поры суток:

Робот, убегающий от света

Робот из корпуса компьютерной мышки, уезжающий в затененные локации:

Управляется робот фонариком:

Электронная мышеловка на фотодиодах

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

Схемы с фотодиодами на Arduino

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

Простые пульты управления:

Видео по теме

Источник