Фотодіоди принцип роботи основні характеристики. Основні характеристики і параметри фотодіода. Термін служби батареї

Принцип дії фотодіода

Напівпровідниковий фотодіод - це напівпровідниковий діод зворотний струм якого залежить від освітленості.

Зазвичай в якості фотодіода використовують напівпровідникові діоди з р-п переходом, який зміщений у зворотному напрямку зовнішнім джерелом живлення. При поглинанні квантів світла в р-n переході або в прилеглих до нього областях утворюються нові носії заряду. Неосновні носії заряду, що виникли в областях, прилеглих до р-п переходу на відстані, що не переви, ', ающем дифузійної довжини, дифундують в р-п перехід і проходячи * через нього під дією електричного поля. Тобто зворотний струм при освітленні зростає. Поглинання квантів безпосередньо в р-п переході призводить до аналогічних результатів. Величина, на яку зростає зворотний струм, називається фотострумом.

характеристики фотодіодів

Властивості фотодіода можна охарактеризувати наступними характеристиками:

Вольт-амперна характеристика фотодіода являє собою залежність світлового струму при незмінному світловому потоці і темнового струму 1 т від напруги.

Світлова характеристика фотодіода обумовлена \u200b\u200bзалежністю фотоструму від освітленості. При збільшенні освітленості фототок зростає.

Спектральна характеристика фотодіода - це залежність фотоструму від довжини хвилі падаючого світла на фотодіод. Вона визначається для великих довжин хвиль шириною забороненої зони, а при малих довжинах хвиль великим показником поглинання і збільшення впливу поверхневої рекомбінації носіїв заряду із зменшенням довжини хвилі квантів світла. Тобто короткохвильова межа чутливості залежить від товщини бази і від швидкості поверхневої рекомбінації. Положення максимуму в спектральній характеристиці фотодіода сильно залежить від ступеня зростання коефіцієнта поглинання.

Постійна часу - це час, протягом якого фото- струм фотодіода змінюється після освітлення або після затемнення фотодіода в е раз (63%) по відношенню до сталого значення.

Темновое опір - опір фотодіода під час відсутності освітлення.

Інтегральна чутливість визначається формулою:

де 1 ф - фотострум, Ф - освітленість.

інерційність

Існує три фізичних фактори, що впливають на інерційність:

1. Час дифузії або дрейфу нерівноважних носіїв через базу т;

2. Час прольоту через р-n перехід т ,;

3. Час перезарядки бар'єрної ємності р-п переходу, що характеризується постійною часу RC 6 ap.

Товщина р-п переходу, що залежить від зворотного напруги і концентрації домішок в базі, зазвичай менше 5 мкм, а значить, т, - 0,1 ні. RC 6 ap визначається бар'єрної ємністю р-п переходу, що залежить від напруги і опору бази фотодіода при малому опорі навантаження у зовнішній ланцюга. Величина RC 6 ap зазвичай становить кілька наносекунд.

Розрахунок ККД фотодіода і потужності

ККД обчислюється за формулою:

де Р осв - потужність освітленості; I - сила струму;

U - напруга на фотодіоді.

Розрахунок потужності фотодіода ілюструє рис. 2.12 і таблиця 2.1.

Мал. 2.12. Залежність потужності фотодіода від напруги і сили струму

Максимальна потужність фотодіода відповідає максимальній площі даного прямокутника.

Таблиця 2.1. Залежність потужності від ККД

Потужність освітленості, мВт	Сила струму, мА	Напруга, В	ККД,%

Застосування фотодіода в олтоелектроніке

Фотодіод є складовим елементом у багатьох складних оптоелектронних пристроях:

Оптоелектронні інтегральні мікросхеми.

Фотодіод може мати більшу швидкодію, але його коефіцієнт посилення фотоструму не перевищує одиниці. Завдяки наявності оптичного зв'язку оптоелектронні інтегральні мікросхеми мають ряд істотних переваг, а саме: майже ідеальна гальванічна розв'язка керуючих ланцюгів від силових при збереженні між ними сильної функціонального зв'язку.

Багатоелементні фотоприемники.

Ці прилади (сканістор, фотодіодних матриця з управлінням на МОП-транзисторі, фоточутливі прилади із зарядним зв'язком та інші) відносяться до числа найбільш швидко розвиваються і прогресуючих виробів електронної техніки. Оптикоелектричного «очей» на основі фотодіода здатний реагувати не тільки на яркостное-часові, а й на просторові характеристики об'єкта, тобто сприймати його повний зоровий образ.

Число фоточутливих осередків в приладі є досить великим, тому крім всіх проблем дискретного фотоприймача (чутливість, швидкодія, спектральна область) доводиться вирішувати і проблему зчитування інформації. Всі багатоелементні фотоприймачі представляють собою скануючі системи, тобто пристрої, що дозволяють проводити аналіз досліджуваного простору шляхом послідовного його перегляду (поелементного розкладання).

Як відбувається сприйняття образів?

Розподіл яскравості об'єкта спостереження перетворюється в оптичне зображення і фокусується на фоточутливий поверхню. Тут світлова енергія переходить в електричну, причому відгук кожного елемента (струм, заряд, напруга) пропорційний його освітленості. Яскравості картина перетворюється в електричний рельєф. Схема сканування виробляє періодичний послідовний опитування кожного елемента і зчитування міститься в ньому інформації. Тоді на виході пристрою ми отримуємо послідовність відеоімпульсів, в якій закодований сприймається образ.

При створенні багатоелементних фотоприймачів прагнуть забезпечити найкраще виконання ними функцій перетворення і сканування. Оптрони.

Оптрон називається такий Оптоелектронні прилади, в якому є джерело і приймач випромінювання з тим чи іншим видом оптичного зв'язку між ними, конструктивно об'єднані і поміщені в один корпус. Між керуючою ланцюгом (струм в якій малий, порядку декількох мА), куди включено випромінювач, і виконавчої, в якій працює фотоприймач, відсутня електрична (гальванічна) зв'язок, а керуюча інформація передається за допомогою світлового випромінювання.

Це властивість оптоелектронної пари (а в деяких видах оптронів присутній по кілька не пов'язаних один з одним навіть оптично оптопар) виявилося незамінним в тих електронних вузлах, де потрібно максимально усунути вплив вихідних електричних ланцюгів на вхідні. У всіх дискретних елементів (транзисторів, тиристорів, мікросхем, що є комутаційними збірками, або мікросхем з виходом, що дозволяє комутувати навантаження великої потужності) керуючі і виконавчі ланцюга електрично пов'язані один з одним. Це часто неприпустимо, якщо комутується високовольтна навантаження. До того ж, виникає зворотний зв'язок неминуче призводить до появи додаткових перешкод.

Конструктивно фотоприймач зазвичай кріпиться на дні корпусу, а випромінювач - у верхній частині. Зазор між випромінювачем і фотоприймачем заповнений іммерсійним матеріалом - найчастіше цю роль виконує полімерний оптичний клей. Цей матеріал виконує роль лінзи, фокусує випромінювання на чутливий шар фотоприймача. Іммерсійний матеріал зовні покритий спеціальною плівкою, яка відображає світлові промені всередину, щоб перешкоджати розсіюванню випромінювання за межі робочої зони фотоприймача.

Роль випромінювачів в оптронах, як правило, виконують світлодіоди на основі арсенід-галію. Світлочутливі елементи в оптопарах можуть являти собою фотодіоди (оптопари серії Егуд ...), фототранзистори, фототріністори (оптопари серії АОУ.,.) І високоінтегровані схеми фотореле. У диодной оптопаре, наприклад, в якості фотоприймального елемента використовується фотодіод на основі кремнію, а випромінювачем служить інфрачервоний випромінюючий діод. Максимум спектральної характеристики випромінювання діода доводиться на довжину хвилі близько 1 мкм. Діодні оптопари застосовуються в фотодіодному і Фотогенераторний режимах.

Транзисторні оптрони (серія АОТ ...) мають деякі переваги щодо діодних. Колекторним струмом біполярного транзистора управляють як оптично (впливаючи на світлодіод), так і електрично за базовою ланцюга (в даному випадку робота фототранзистор при відсутності випромінювання керуючого світлодіода оптрона практично не відрізняється від роботи звичайного кремнієвого транзистора). У польового транзистора управління здійснюється через ланцюг затвора.

Крім того, фототранзистор може працювати в ключовому і підсилюючих режимах, а фотодіод - тільки в ключовому. Оптрони з складовими-транзисторами (наприклад, АОТ1ЮБ), мають найбільший коефіцієнт посилення (як і звичайний вузол на складеному транзисторі), можуть комутувати напругу і струм досить великих величин і за даними параметрами поступаються тільки тиристорним оптронів і оптоелектронних реле типу КР293КП2 - КР293КП4, які пристосовані для комутації високовольтних і потужнострумових ланцюгів. Сьогодні в роздрібному продажі з'явилися нові оптоелектронні реле серій К449 і К294. Серія К449 дозволяє комутувати напругу до 400 В при струмі до 150 мА. Такі мікросхеми в четирехви- водному компактному корпусі DIP-4 приходять на зміну малопотужним електромагнітним реле і мають порівняно з реле масу переваг (безшумність роботи, надійність, довговічність, відсутність механічних контактів, широкий діапазон напруги спрацьовування). Крім того, їх доступна ціна пояснюється тим, що немає необхідності використовувати дорогоцінні метали (в реле ними покриваються комутуючі контакти).

У резисторних оптронах (наприклад, ОЕП-1) і-злучателямі є електричні мінілампи розжарювання, вміщені також в один корпус.

Графічним позначенням оптронов по ГОСТу присвоєно умовний код - латинська буква U, після якої слідує порядковий номер приладу в схемі.

У розділі 3 книги описані прилади та пристрої, що ілюструють застосування оптронів.

застосування фотоприймачів

Будь-яке оптоелектронні пристрій містить фотоприймальні блок. І в більшості сучасних оптоелектронних пристроїв фотодіод становить основу фотоприймача.

У зіставленні з іншими, більш складними фотоприймачами, вони мають найбільшу стабільністю температурних характеристик і кращими експлуатаційними властивостями.

Основний недолік, на який зазвичай вказують, - відсутність посилення. Але він досить умовний. Майже в кожному оп- тоелектронном пристрої фотоприймач працює на ту чи іншу погоджує електронну схему. І введення підсилювального каскаду в неї значно простіше і доцільніше, ніж надання фотоприймача невластивих йому функцій посилення.

Висока інформаційна ємність оптичного каналу, пов'язана з тим, що частота світлових коливань (близько 10 15 Гц) в 10 3 ... 10 4 разів вище, ніж в освоєному радіотехнічному діапазоні. Мале значення довжини хвилі світлових коливань забезпечує високу досяжну щільність запису інформації в оптичних запам'ятовуючих пристроях (до 10 8 біт / см 2).

Гостра спрямованість (кучність) світлового випромінювання, обумовлена \u200b\u200bтим, що кутова розбіжність променя пропорційна довжині хвилі і може бути менше однієї хвилини. Це дозволяє концентровано і з малими втратами передавати електричну енергію в будь-яку область простору.

Можливість подвійної - тимчасової і просторової - модуляції світлового променя. Так як джерело і приймач в опто- електроніці не пов'язані один з одним електрично, а зв'язок між ними здійснюється тільки за допомогою світлового променя (електрично нейтральних фотонів), то вони не впливають один на одного. І тому в оптоелектронному приладі потік інформації передається лише в одному напрямку - від джерела до приймача. Канали, за якими поширюється оптичне випромінювання, що не впливають один на одного і практично не чутливі до електромагнітних завад, що визначає їх високу перешкодозахищеність.

Важлива особливість фотодіодів - високу швидкодію. Вони можуть працювати на частотах до декількох МГц. зазвичай виготовляють з германію або кремнію.

Фотодіод є потенційно широкосмуговим приймачем. Цим обумовлюється його повсюдне застосування і популярність.

ІК спектру

Інфрачервоний випромінюючий діод (ІК діод) являє собою напівпровідниковий діод, який при протіканні через нього прямого струму випромінює електромагнітну енергію в інфрачервоній області спектра.

На відміну від видимого людським оком спектра випромінювання (яке, наприклад, виробляє звичайний світловипромінювальних діод на основі фосфіду галію) ІК випромінювання не може бути сприйнято людським оком, а реєструється за допомогою спеціальних приладів, чутливих до даного спектру випромінювання. Серед популярних фотоприйомних діодів ІК спектру можна відзначити фоточутливі прилади МДК-1, ФД263-01 і подібні до них.

Спектральні характеристики ІК випромінюючих діодів мають виражений максимум в інтервалі хвиль 0,87 ... 0,96 мкм. Ефективність випромінювання і ККД даних приладів вище, ніж у світлодіодів.

На основі ІК діодів (які в електронних конструкціях займають важливе місце передавачів імпульсів ІК спектру) конструюються волоконно-оптичні лінії (вигідно відрізняються своєю швидкодією і помехозащищенностью), багатопланові електронні побутові вузли і, звичайно ж, електронні вузли охорони. У цьому є своя перевага, тому що ІК промінь невидимий людським оком і в деяких випадках (за умови використання декількох різноспрямованих ІК променів) визначити візуально наявність самого охоронного пристрою неможливо до його переходу в режим «тривога»). Досліди роботи в сфері виробництва і обслуговування систем охорони на основі ІК випромінювачів дозволяють все ж дати деяку рекомендацію щодо визначення робочого стану ІК випромінювачів.

Якщо близько вдивитися в випромінює поверхня ІК діода (наприклад, АЛ147А, АЛ156А), коли на нього подано сигнал управління, то можна помітити слабке червоне свічення. Світловий спектр цього світіння близький до кольору очей тварин альбіносів (щурів, хом'яків і т.д.). У темряві ІК світіння ще більш виражено. Необхідно зауважити, що тривалий час вдивлятися в випромінюючий ІК світлову енергію прилад небажано з медичної точки зору.

Крім систем охорони, ІК випромінюють діоди в даний час знаходять застосування в брелоках сигналізації для автомобілів, різного роду бездротових передавачах сигналів на відстань. Наприклад, підключивши до передавача модульований НЧ сигнал від підсилювача, за допомогою ІК приймача на деякій відстані (залежить від потужності випромінювання і рельєфу місцевості) можна прослуховувати звукову інформацію, телефонні переговори також можна транслювати на відстань. Цей спосіб сьогодні менш ефективний, але все ж є альтернативним варіантом домашньому радіотелефону. Найпопулярнішим (в побуті) застосуванням ІК випромінюючих діодів є пульти дистанційного керування різними побутовими приладами.

Як може легко переконатися будь-який радіоаматор, розкривши кришку ПДУ, електронна схема цього приладу не складна і може бути повторена без особливих проблем. У радіоаматорських конструкціях, деякі з яких описані в третьому розділі даної книги, електронні пристрої з ІК випромінюють і прийомними приладами набагато простіше, ніж промислові пристрої.

Параметри, що визначають статичні режими роботи ІК діодів (пряме і зворотне максимально допустима напруга, прямий струм і т.д.) схожі з параметрами фотодіодів. Основними специфічними параметрами, за якими їх ідентифікують, для ІК діодів є:

Потужність випромінювання - Р изл - потік випромінювання певного спектрального складу, випромінюваного діодом. Характеристикою діода, як джерела ІК випромінювання, є ват-амперна характеристика - залежність потужності випромінювання в Вт (міліватах) від прямого струму, що протікає через діод. Діаграма спрямованості випромінювання діода показує зменшення потужності випромінювання в залежності від кута між напрямком випромінювання і оптичною віссю приладу. Сучасні ІК діоди розрізняються між мають остронаправленной випромінювання і розсіяне.

При конструюванні електронних вузлів слід враховувати, що дальність передачі ІК сигналу прямо залежить від кута нахилу (суміщення передавальної і приймальні частин пристрою) і потужності ІК діода. При взаімозамене ІК діодів необхідно враховувати цей параметр потужності випромінювання. Деякі довідкові дані по вітчизняним ІК діодів наведені в табл. 2.2.

Дані по взаімозамене зарубіжних і вітчизняних приладів наведені в додатку. Сьогодні найбільш популярними типами ІК діодів серед радіоаматорів вважаються прилади модельного ряду АЛ 156 і АЛ147. Вони оптимальні за універсальності застосування і вартості.

Імпульсна потужність випромінювання - Р изл їм - амплітуда потоку випромінювання, яка вимірюється при заданому імпульсі прямого струму через діод.

Ширина спектра випромінювання - інтервал довжин хвиль, в якому спектральна щільність потужності випромінювання становить половину максимальної.

Максимально допустимий прямий імпульсний струм 1 пр їм (ІК діоди в основному використовуються в імпульсному режимі роботи).

Таблиця 2.2. Випромінюючі діоди інфрачервоного спектра

ІК діод	Потужність випромінювання, мВт	Довжина хвилі, мкм	Ширина спектра, мкм	Напруга на приладі, В	Кут випромінювання, град






			немає даних		немає даних

Час наростання імпульсу випромінювання t Hap изл - інтервал часу, протягом якого потужність випромінювання діода наростає з 10 до 100% від максимального значення.

Параметр часу спаду імпульсу t cnM 3 J 1 аналогічний попередньому.

Шпаруватість - Q - відношення періоду імпульсних коливань до тривалості імпульсу.

В основі пропонованих до повторення електронних вузлів (глава 3 даної книги) лежить принцип передачі і прийому модульованого ІК сигналу. Але не тільки в такому вигляді можна використовувати принцип роботи ІК діода. Такі оптореле можуть працювати і в режимі реагування на відображення променів (фотоприймач розміщується поруч з випромінювачем). Цей принцип втілений в електронні вузли, що реагують на наближення до об'єднаного приймально-передавальному вузлу будь-якого предмета або людини, що також може служити датчиком в системах охорони.

Варіантів застосування ІК діодів і пристроїв на їх основі нескінченно багато і вони обмежуються тільки ефективністю творчого підходу радіоаматора.

Призначення: фотодіод - приймач оптичного випромінювання, який перетворює потрапив на його фоточувствительную область світло в електричний заряд.

Принцип дії: найпростіший фотодиод являє собою звичайний напівпровідниковий діод, в якому забезпечується можливість впливу оптичного випромінювання на р-n-перехід. При впливі випромінювання в напрямку, перпендикулярному площині p-n-переходу, в результаті поглинання фотонів з енергією, більшою, ніж ширина забороненої зони, в n-області виникають електронно-діркові пари. Ці електрони і дірки називають фотоносіїв. При дифузії фотоносіїв в глиб n-області основна частка електронів і дірок не встигає рекомбінувати і доходить до межі p-n-переходу. Тут фотоносіїв поділяються електричним полем p-n-переходу, причому дірки переходять в p-область, а електрони не можуть подолати поле переходу і скупчуються біля кордону p-n-переходу і n-області. Таким чином, струм через p-n-перехід обумовлений дрейфом неосновних носіїв - дірок. Дрейфовий струм фотоносіїв називається фотострумом.

Фотодіоди можуть працювати в одному з двох режимів - без зовнішнього джерела електричної енергії (режим фотогенератора) або з зовнішнім джерелом електричної енергії (режим фотоперетворювача).

Пристрій: Cтруктурная схема фотодіода. 1 - кристал напівпровідника; 2 - контакти; 3 - висновки; Ф - потік електромагнітного випромінювання; Е - джерело постійного струму; Rн - навантаження.

параметри: чутливість (відображає зміну електричного стану на виході фотодіода при подачі на вхід одиничного оптичного сигналу.); шуми (крім корисного сигналу на виході фотодіода з'являється хаотичний сигнал з випадковою амплітудою і спектром - шум фотодіода)

Характеристики: а) вольт-амперна характеристика фотодіода являє собою залежність вихідної напруги від вхідного струму. б) світлова характеристика залежність фотоструму від освітленості, відповідає прямій пропорційності фотоструму від освітленості. в) спектральна характеристика фотодіода - це залежність фотоструму від довжини хвилі падаючого світла на фотодіод.

застосування: а) оптоелектронні інтегральні мікросхеми.

б) багатоелементні фотоприймачі.в) оптрони.

9. Світлодіоди. Призначення, пристрій, принцип дії, основні параметри і характеристики.

Призначення: Світлодіод - це напівпровідниковий прилад, що випромінює світло при пропущенні через нього струму в прямому напрямку.

Принцип дії: Робота заснована на фізичному явищі виникнення світлового випромінювання при проходженні електричного струму через p-n-перехід. Колір світіння (довжина хвилі максимуму спектра випромінювання) визначається типом використовуваних напівпровідникових матеріалів, що утворюють p-n-перехід.

Світлодіод є напівпровідниковим випромінюють приладом з одним або декількома n-р переходами, що перетворює електричну енергію в енергію некогерентного світлового випромінювання. Випромінювання виникає в результаті рекомбінації інжектованих носіїв в одній з областей, прилеглих до n-р переходу. Рекомбінація відбувається при переході носіїв з верхніх рівнів на нижні.

Характеристики та параметри: основним параметром світлодіодів є внутрішня квантова ефективність (відношення числа фотонів до кількості інжектованих в базу носіїв) і зовнішня ефективність (відношення потоку фотонів з світлодіода до потоку носіїв заряду в ньому). Зовнішня ефективність значною мірою визначається технологією і з ростом її рівня може бути значно збільшена.

Основні характеристики світлодіодів - вольт-амперні, яскравості і спектральні. Основними параметрами світловипромінювальних діодів є довжина хвилі, полушіріна спектра випромінювання, потужність випромінювання, робоча частота і діаграма спрямованості випромінювання.

Світлодіоди знаходять широке застосування в цифрових індикаторах, світлових табло, пристроях опто електроніки. Принципово можливе формування на їх основі екрану кольорового телебачення.

Фотодіод - це світлочутливийдіод, який використовує енергію світла для створення напруги. Широко використовуються в побутових і промислових автоматичних системах управління, де перемикачем є кількість надходить світла. Наприклад, контроль ступеня відкриття жалюзі в системі розумного будинку, виходячи з рівня освітленості

Коли світло потрапляє на фотодіод, то енергія світла, що потрапив на світлочутливий матеріал, викликає поява напруги, яке змушує електрони рухатися через P-N перехід. Існує два типи фотодіодів: фотоелектричні і фотопровідні.

фотопровідні діоди

Такі діоди використовуються для управління електричними ланцюгами, на які потенціал подається ззовні, тобто з стороннього джерела.

Наприклад, вони можуть регулювати включення і виключення вуличного освітлення або ж відкривати і закривати автоматичні двері.

У типовій ланцюга, в якій встановлено фотодіод, потенціал, що подається на діод, має зміщення в зворотному напрямку, а його значення трохи нижче пробивної напруги діода. За такого ланцюга струм не йде. Коли ж світло потрапляє на діод, то додаткову напругу, яке починає рухатися через P-N перехід, викликає звуження збідненого області і створює можливість для руху струму через діод. Кількість проходить струму визначається інтенсивністю світлового потоку, що потрапляє на фотодіод.

фотоелектричні діоди

Фотоелектричні діоди є єдиним джерелом напруги для ланцюга, в якій вони встановлені.

Одним із прикладів такого фотоелектричного діода може служити фотоекспонометра використовуваний в фотографії для визначення освітленості. Коли світло потрапляє на світлочутливий діод в фотоекспонометра, то виникає в результаті цього напруга призводить в дію вимірювальний прилад. Чим вище освітленість, тим більша напруга виникає на діоді.

найпростіший фотодиод являє собою звичайний напівпровідниковий діод, в якому забезпечується можливість впливу оптичного випромінювання на р-n-перехід.

У рівноважному стані, коли потік випромінювання повністю відсутня, концентрація носіїв, розподіл потенціалу та енергетична зонна діаграма фотодіода повністю відповідають звичайній p-n-структурі.

При впливі випромінювання в напрямку, перпендикулярному площині p-n-переходу, в результаті поглинання фотонів з енергією, більшою, ніж ширина забороненої зони, в n-області виникають електронно-діркові пари. Ці електрони і дірки називають фотоносіїв.

При дифузії фотоносіїв в глиб n-області основна частка електронів і дірок не встигає рекомбінувати і доходить до межі p-n-переходу. Тут фотоносіїв поділяються електричним полем p-n-переходу, причому дірки переходять в p-область, а електрони не можуть подолати поле переходу і скупчуються біля кордону p-n-переходу і n-області.

Таким чином, струм через p-n-перехід обумовлений дрейфом неосновних носіїв - дірок. Дрейфовий струм фотоносіїв називається фотострумом.

Фотоносіїв - дірки заряджають p-область позитивно щодо n-області, а фотоносіїв - електрони - n-область негативно по відношенню до p-області. Виникає різниця потенціалів називається фотоЕДС Eф. Генерований струм в фотодіоді - зворотний, він спрямований від катода до анода, причому його величина тим більше, чим більше освітленість.

Фотодіоди, що працюють в режимі фотогенератора, часто застосовують в якості джерел живлення, що перетворюють енергію сонячного випромінювання в електричну. Вони називаються сонячними елементами і входять до складу сонячних батарей, які використовуються на космічних кораблях.

ККД кремнієвих сонячних елементів складає близько 20%, а у плівкових сонячних елементів він може мати значно більше значення. Важливими технічними параметрами сонячних батарей є відносини їх вихідної потужності до маси і площі, займаної сонячною батареєю. Ці параметри досягають значень 200 Вт / кг і 1 кВт / м2, відповідно.

При роботі фотодіода в фотопреобразовательном режимі джерело живлення Е включається в ланцюг в замикаючому напрямку (рис. 1, а). Використовуються зворотні гілки ВАХ фотодіода при різних освещенностях (рис. 1, б).

Мал. 1. Схема включення фотодіода в фотопреобразовательном режимі: а - схема включення, б - ВАХ фотодіода

Струм і напруга на навантажувальними резисторами Rн можуть бути визначені графічно по точках перетину ВАХ фотодіода і лінії навантаження, яке відповідає опору резистора Rн. При відсутності освітленості фотодіод працює в режимі звичайного діода. Темновий струм у германієвих фотодіодів дорівнює 10 - 30 мкА, у кремнієвих 1 - 3 мкА.

Якщо в фотодиодах використовувати зворотній електричний пробій, що супроводжується лавинним множенням носіїв заряду, як в напівпровідникових стабілітронах, то фотострум, а отже, і чутливість значно зростуть.

чутливість лавинних фотодіодів може бути на кілька порядків більше, ніж у звичайних фотодіодів (у германієвих - в 200 - 300 разів, у кремнієвих - в 104 - 106 разів).

Лавинні фотодіоди є швидкодіючими фотоелектричними приладами, їх частотний діапазон може досягати 10 ГГц. Недоліком лавинних фотодіодів є більш високий рівень шумів в порівнянні зі звичайними фотодіодами.

Мал. 2. Схема включення фоторезистора (а), УДО (б), енергетична (в) і вольт-амперна (г) характеристики фоторезистора

Крім фотодіодів, застосовуються фоторезистори (рис 2), фототранзистори і фототиристори, в яких використовується внутрішній фотоефект. Характерним недоліком їх є висока інерційність (гранична робоча частота fгр

Конструкція фототранзистор подібна звичайному транзистору, у якого в корпусі є віконце, через яке може висвітлюватися база. УДО фототранзистор - транзистор з двома стрілками, спрямованими до нього.

Світлодіоди і фотодіоди часто використовуються в парі. При цьому вони будуть розміщені в один корпус таким чином, щоб світлочутливий майданчик фотодіода розташовувалася навпроти випромінює майданчики світлодіода. Напівпровідникові прилади, що використовують пари «світлодіод - фотодіод», називаються (рис. 3).

Мал. 3. Оптрон: 1 - світлодіод, 2 - фотодіод

Вхідні і вихідні ланцюги в таких приладах виявляються електрично ніяк не пов'язаними, оскільки передача сигналу здійснюється через оптичне випромінювання.

Потапов Л. А.

Фотодіоди перетворять світлові сигнали прямо в електричні, використовуючи обрат-лий ін порівнянні зі світлодіодами фізичний процес. В p-i-n-фотодіоді є широкий внутрішній (i-) напівпровідниковий шар, що розділяє зони р- і n-типу, як показано на рис. 6.9. На діод подається зворотне зміщення (5-20 вольт), це допомагає утримувати лосітелі заряду від внутрішньої області.

Мал. 6.9. p-i-n-фотодіод

Ширина внутрішнього шару гарантує, що висока ймовірність поглинання входять фотонів саме цим шаром, а не областями р- або n-типу. Внутрішній шар має високий опір, оскільки в ньому немає вільних носіїв заряду. Це призводить до падіння більшої частини напруги на цей шар, і результуюче електричне поле підвищує швидкість відповіді і знижує шум. Коли промінь світла з відповідною енергією потрапляє на внутрішній шар, він створює пару електрон - дірка, піднімаючи електрон з валентної зони в зону провідності і залишаючи на його місці дірку. Напруга зсуву змушує ці носії заряду (електрони в зоні провідності) швидко зміщуватися з перехідною зони, створюючи струм, пропорційний падаючому світлу, як показано на рис. 6.9.

6.7.2. робочі параметри

Довжина хвилі відсічення

У вхідного фотона має бути достатньо енергії для підйому електрона через заборонену зону і створення пари електрон - дірка. У різних напівпровідникових матеріалів ширина забороненої зони різна, енергетичний бар'єр в електрон-вольтах (еВ) може бути пов'язаний з довжиною хвилі (λ) за допомогою того ж самого рівняння, як для світлодіодів.

Для конкретного типу детектора енергетичний бар'єр W є величина постійна, тому вищенаведена формула дає максимальну довжину хвилі, яка може бути зафіксована, тобто довжину хвилі відсічення.

чутливість

Чутливість ρ є відношення вихідного струму ( i) Детектора до вхідної оптичної -потужності ( Р).

Для 800 нм чутливість кремнію близько 0,5 А / Вт, а пікова чутливість InGaAs близько 1,1 А / Вт для 1700 нм, знижуючись до 0,77 А / Вт для 1300 нм.

спектральна характеристика

Спектральна характеристика показує зміну чутливості в залежності від довжини хвилі. Типові криві спектральної характеристики для кремнієвих і InGaAs p-i-n-діодів показані на рис. 6.10.

квантова ефективність

Квантова ефективність випромінювача визначається як відношення числа виділених електронів до числа падаючих фотонів. У кремнію і InGaAs пікова квантова ефективність близько 80%.

Мал. 6.10. Спектральні характеристики p-i-n-діодів

швидкість відповіді

Швидкість відповіді детектора обмежена часом проходу, яке є часом подолання вільними зарядами ширини внутрішнього шару. Це функція напруги зворотного зміщення і фізичної ширини. Для швидких p-i-n-діодів вона коливається від 1,5 до 10 нс. Ємність також впливає на відповідь пристрою, причому ємність переходу утворює ізолюючим внутрішнім шаром між електродами, освіченими p- і n-областями. У високошвидкісних фотодіодів час відповіді може досягати 10 пикосекунд при ємності в кілька пикофарад з дуже маленькими площами поверхонь.

вольтамперная характеристика

Типові вольтамперні (I-U) криві для кремнієвого p-i-n-фотодіода показу, на рис. 6.11. Можна бачити, що навіть коли немає оптичної потужності, тече невеликий зворотний струм, який називається темновим струмом (dark current). Він викликається температурним утворенням вільних носіїв зарядів, зазвичай подвоюючись через кожні 10 ° С приросту температури після 25 ° С.

динамічний діапазон

Лінійна залежність між напругою і оптичної потужністю, показана на рис. 6.11 зберігається зазвичай протягом близько шести десятків, даючи динамічний діапазон близько 50 дБ.

Мал. 6.11. Вольтамперні характеристики кремнієвого p-i-n-фотодіода

6.7.3. Конструкція p-i-n-фотодіодів

Конструкція p-i-n-фотодіодів подібна використовувалася для світлодіодів і лазерів, але оптичні вимоги менш критичні. Активна область детекторів зазвичай набагато більше, ніж сердечник волокна, тому поперечне вирівнювання не створює проблем.