Фотодиоди: подробно на прост език. Основни характеристики и параметри на фотодиодите Фотодиодът като източник на захранване

Предназначение: фотодиод- приемник на оптично лъчение, който преобразува светлината, попаднала върху фоточувствителната му област, в електрически заряд.

Принцип на работа: Най-простият фотодиоде конвенционален полупроводников диод, който осигурява възможност за излагане на оптично лъчение на p–n прехода. При излагане на радиация в посока, перпендикулярна на равнината на p-n прехода, в резултат на поглъщането на фотони с енергия, по-голяма от ширината на забранената зона, в n-областта се появяват двойки електрон-дупка. Тези електрони и дупки се наричат фотоносители. Когато фотоносителите дифундират дълбоко в областта n, основната фракция от електрони и дупки няма време да се рекомбинира и достига границата на p–n прехода. Тук фотоносителите са разделени от електрическото поле на p–n прехода и дупките преминават в p областта, докато електроните не могат да преодолеят преходното поле и се натрупват на границата между p–n прехода и n областта. Така токът през p–n прехода се дължи на дрейфа на незначителни носители – дупки. Дрейфовият ток на фотоносителите се нарича фототок.

Фотодиодите могат да работят в един от двата режима - без външен източник на електрическа енергия (режим на фотогенератор) или с външен източник на електрическа енергия (режим на фотоконвертор).

Устройство: структурна схема на фотодиод. 1 - полупроводников кристал; 2 - контакти; 3 - заключения; Ф - поток от електромагнитно излъчване; E - източник на постоянен ток; Rн - натоварване.

Настроики: чувствителност (отразява промяната в електрическото състояние на изхода на фотодиода при подаване на единичен оптичен сигнал към входа.); шум (в допълнение към полезния сигнал на изхода на фотодиода се появява хаотичен сигнал с произволна амплитуда и спектър- фотодиоден шум)

Характеристики: а) характеристика ток-напрежениефотодиод е зависимостта на изходното напрежение от входния ток. б) светлинна характеристиказависимостта на фототока от осветеността съответства на пряката пропорционалност на фототока от осветеността. в) спектрална характеристика на фотодиодае зависимостта на фототока от дължината на вълната на падащата върху фотодиода светлина.

Приложение: а) оптоелектронни интегрални схеми.

б) многоелементни фотодетектори.в) оптрони.

9. Светодиоди. Предназначение, устройство, принцип на действие, основни параметри и характеристики.

Предназначение: LEDПолупроводниково устройство, което излъчва светлина, когато през него преминава ток в права посока.

Принцип на действие: Работата се основава на физичния феномен на възникване на светлинно лъчение по време на преминаване на електрически ток през p-n-прехода. Цветът на сиянието (дължината на вълната на максимума на емисионния спектър) се определя от вида на използваните полупроводникови материали, които образуват p-n прехода.

Светодиодът е полупроводниково излъчващо устройство с един или повече n-p преходи, което преобразува електрическата енергия в енергия на некохерентно светлинно излъчване. Излъчването възниква в резултат на рекомбинацията на инжектирани носители в една от областите, съседни на n-p прехода. Рекомбинацията възниква, когато носителите се преместят от горните нива към по-ниските.

Характеристики и параметри: основният параметър на светодиодите е вътрешната квантова ефективност (съотношението на броя на фотоните към броя на носителите, инжектирани в основата) и външната ефективност (съотношението на фотонния поток от светодиода към потока на носителя на заряд в него). Външната ефективност до голяма степен се определя от технологията и с нарастването на нейното ниво може значително да се увеличи.

Основните характеристики на светодиодите са ток-напрежение, яркост и спектър. Основните параметри на светодиодите са дължината на вълната, полуширината на емисионния спектър, мощността на излъчване, работната честота и диаграмата на излъчване.

Светодиодите се използват широко в цифрови индикатори, светлинни дисплеи и оптоелектронни устройства. По принцип на тяхна основа е възможно да се формира цветен телевизионен екран.

Специално място в електротехниката заемат фотодиодите, които се използват в различни устройства и устройства. Фотодиодът е полупроводников елемент, който по своите свойства е подобен на обикновен диод. Неговият обратен ток директно зависи от интензивността на светлинния поток, падащ върху него. Най-често като фотодиод се използват полупроводникови елементи с p-n преход.

Устройство и принцип на действие

Фотодиодът е част от много електронни устройства. Ето защо той придоби широка популярност. Обикновеният светодиод е диод с p-n преход, чиято проводимост зависи от светлината, която пада върху него. На тъмно фотодиодът има характеристиките на конвенционален диод.

1 - полупроводников преход.
2 - положителен полюс.
3 - фоточувствителен слой.
4 - отрицателен полюс.

Под действието на светлинен поток върху преходната равнина фотоните се абсорбират с енергия, надвишаваща граничната стойност, поради което в n-областта се образуват двойки носители на заряд - фотоносители.

При смесване на фотоносители в дълбочината на "n" областта, основната част от носителите нямат време да се рекомбинират и преминават към p-n границата. При прехода фотоносителите се разделят от електрическо поле. В този случай дупките преминават в областта "p" и електроните не могат да преминат през прехода, поради което се натрупват близо до границата на прехода p-n, както и областта "n".

Обратният ток на диода се увеличава, когато е изложен на светлина. Стойността, с която се увеличава обратният ток, се нарича фототок.

Фотоносителите под формата на дупки носят положителен заряд на областта "p" по отношение на областта "n". На свой ред, електроните произвеждат отрицателен заряд в областта "n" спрямо областта "p". Получената потенциална разлика се нарича фотоелектромоторна сила и се обозначава с "E f". Електрическият ток, който възниква във фотодиода, е обратен и е насочен от катода към анода. Освен това стойността му зависи от количеството осветеност.

Режими на работа

Фотодиодите могат да работят в следните режими:

• Режим фотогенератор. Няма електрическа връзка.
• Режим на фотоконвертор. С връзка за външно захранване.

На работа фотогенератор вместо източник на енергия се използват фотодиоди, които преобразуват слънчевата светлина в електрическа енергия. Такива фотогенератори се наричат ​​слънчеви клетки. Те са основните части на слънчевите панели, използвани в различни устройства, включително тези на космически кораби.

Ефективността на слънчевите клетки на базата на силиций е 20%, за филмовите клетки този параметър е много по-висок. Важно свойство на слънчевите клетки е зависимостта на изходната мощност от теглото и площта на чувствителния слой. Тези свойства достигат стойности от 200 W/kg и 1 kW/m 2 .

Когато фотодиодът функционира като фотоконвертор , източникът на напрежение е свързан към веригата с обратна полярност. В този случай се използват обратни графики на характеристиката ток-напрежение за различни условия на осветеност.

Напрежението и токът при натоварване R n се определят на графиката от пресечните точки на характеристиките на фотодиода и товарната линия, която съответства на резистора R n. На тъмно фотодиодът е еквивалентен по своето действие на конвенционален диод. Токът в тъмен режим за силициеви диоди варира от 1 до 3 микроампера, за германиеви диоди от 10 до 30 микроампера.

Видове фотодиоди

Има няколко различни вида фотодиоди, които имат своите предимства.

стр – аз – нфотодиод

В областта p-n този диод има участък с високо съпротивление и собствена проводимост. При излагане на светлина се появяват двойки дупки и електрони. Електрическото поле в тази зона има постоянна стойност, няма пространствен заряд.

Този допълнителен слой значително намалява капацитета на бариерния слой и е независим от напрежението. Това разширява работната честотна лента на диодите. В резултат на това скоростта се повишава рязко и честотата достига 10 10 херца. Повишената устойчивост на този слой значително намалява работния ток при липса на осветление. За да може светлинният поток да проникне през p-слоя, той не трябва да е дебел.

Лавинни фотодиоди

Този тип диод е високочувствителен полупроводник, който преобразува светлината в сигнал на електрически ток, използвайки фотоелектричния ефект. С други думи, това са фотодетектори, които усилват сигнала поради ефекта на лавинообразното умножение.

1 - омични контакти 2 - антирефлексно покритие

Лавинните фотодиоди са по-чувствителни от другите фотодетектори. Това прави възможно използването им за ниски мощности на светлината.

Суперрешетките се използват при проектирането на лавинни фотодиоди. Тяхната същност се състои в това, че значителните разлики в ударната йонизация на носителите водят до спад на шума.

Друго предимство на използването на подобни структури е локализирането на лавинообразното размножаване. Освен това намалява смущенията. В свръхрешетката дебелината на слоевете е от 100 до 500 ангстрьома.

Принцип на действие

При обратно напрежение, близко до стойността на лавинния пробив, фототокът рязко се увеличава поради ударна йонизация на носители на заряд. Действието е, че енергията на електрона се повишава от външното поле и може да надхвърли границата на йонизация на веществото, в резултат на което срещата на този електрон с електрон от валентната лента ще доведе до появата на нова двойка на електрон и дупка. Носителите на заряд на тази двойка ще бъдат ускорени от полето и могат да допринесат за образуването на нови носители на заряд.

Характеристики

Свойствата на такива диоди могат да бъдат описани чрез някои зависимости.

Волт-ампер

Тази характеристика е зависимостта на силата на тока при постоянен светлинен поток от напрежението.

аз- текущ М- коефициент на умножение U- волтаж

Светещ

Това свойство е зависимостта на диодния ток от осветеността. С увеличаване на светлинния поток фототокът се увеличава.

Спектрален

Това свойство е зависимостта на диодния ток от дължината на вълната на светлината и е ширината на граничната зона.

Времева константа

Това е времето, необходимо за промяна на фототока на диода след прилагане на светлината в сравнение със стойността в стационарно състояние.

тъмно съпротивление

Това е стойността на съпротивлението на диода на тъмно.

инерция

Фактори, влияещи върху тази характеристика:

• Време на дифузия на неравновесни носители на заряд.
• Време на преминаване по протежение на p-n прехода.
• Периодът на презареждане на капацитета на бариерата на p-n прехода.

Обхват на приложение, обхват на прилагане

Фотодиодите са основните елементи на много оптоелектронни устройства.

Интегрални схеми (оптоелектронни)

Фотодиодът може да има значителна работна скорост, но коефициентът на усилване на тока е не повече от единица. Благодарение на оптичната връзка, микросхемите имат значителни предимства: идеална галванична изолация на управляващите вериги от мощни силови вериги. В същото време между тях се поддържа функционална връзка.

Фотодетектори с множество елементи

Тези устройства под формата на фотодиодна матрица, скенер, са нови прогресивни електронни устройства. Тяхното оптоелектронно око с фотодиод може да създаде отговор на пространствените и яркостните свойства на обектите. С други думи, той може да види цялостния си визуален образ.

Броят на чувствителните към светлина клетки е много голям. Следователно, в допълнение към проблемите на скоростта и чувствителността, е необходимо да се чете информация. Всички фотодетектори с множество фотоклетки са сканиращи системи, т.е. устройства, които ви позволяват да анализирате изследваното пространство чрез последователно гледане на елемент по елемент.

Фотодиодите също се използват широко във влакнесто-оптични линии и лазерни далекомери. Напоследък такива светлинни диоди се използват в позитронно-емисионната томография.

В момента има образци на фоточувствителни матрици, състоящи се от лавинни фотодиоди. Тяхната ефективност и обхват зависи от няколко фактора.

Най-влиятелните фактори бяха:

• Общият ток на утечка в резултат на добавянето на шум и ток при липса на светлина.
• Квантова ефективност, която определя дела на падащите кванти, водещи до появата на ток и носители на заряд.

Лаборатория #16

Фотодиодно изследване

Цел:Запознайте се с принципа на действие, устройството, характеристиките и приложението на полупроводниковите фотодиоди.

Инструменти и аксесоари:германиев фотодиод FD-7G, стенд за измерване на вольтамперни характеристики на диоди, оптичен стенд с осветител, захранване, осцилоскоп.

Теоретично въведение

фотодиоднаречен полупроводников диод, който е чувствителен към светлина и е проектиран да преобразува светлинния поток (оптично излъчване) в електрически сигнал.

Не се различават по принципа на работа от фотопреобразувателя на слънчевата енергия, фотодиодите имат свои собствени конструктивни характеристики и характеристики, които се определят от тяхното предназначение.

Фотодиодите са предназначени за използване като приемници и сензори за оптично лъчение (обикновено видимо и инфрачервено) като част от оборудване и различни устройства, които използват видимо и инфрачервено лъчение.

Работата на фотодиодите се основава на явлението вътрешен фотоелектричен ефект, при който под действието на светлината в полупроводника се появяват допълнителни (неравновесни) електрони и дупки, създаващи фототок или фотонапрежение.

1. Принципът на работа на фотодиоди с p-n преход.При фотодиодите фоточувствителният елемент е преходната област - p-n-преход, разположена между областите с електронна и дупкова проводимост (фиг. 1).

Образуване на p-n преход.Полупроводникът от n-тип съдържа известно количество атоми от донорен тип примеси, които почти всички са йонизирани при стайна температура. По този начин в такъв полупроводник няма свободни електрони и същия брой неподвижни положително заредени йони на донорния примес.

Подобна ситуация възниква в полупроводник с дупки (полупроводник от p-тип). Той има p около свободни дупки и същия брой отрицателно заредени йони на акцепторни атоми. Принципът на образуване на p-n преход е показан на фиг. един.

Когато p- и n-областите влязат в контакт в тях, поради наличието на концентрационен градиент на електрони и дупки, възниква дифузионен поток от електрони от n-тип полупроводник към p-тип полупроводник и, обратно, дупков поток от p-полупроводника към n-полупроводника. Електроните, които са преминали от n-областта към p-областта, се рекомбинират с дупки близо до интерфейса. Дупките се рекомбинират по подобен начин, преминавайки от p-областта към n-областта. В резултат на това практически няма свободни носители на заряд (електрони и дупки) в близост до p-n прехода.

По този начин от двете страни на p-n прехода се образува двойно зареден слой, образуван от неподвижни примесни йони (други имена - изчерпващ слой или област с пространствен заряд (SCR), блокиращ слой), който създава силно електрическо поле. Електрическото поле на блокиращия слой е насочено от n-областта към p-областта и противодейства на процеса на дифузия на основните носители на заряд от областите, отдалечени от p-n прехода към обеднената област. Такова състояние е равновесно и при липса на външни смущения може да съществува произволно дълго време.

Ориз. 1 – Образуване на p-n-преход Фиг. 2

Как работи фотодиодът.Оптичното излъчване (светлина), абсорбирано в полупроводникова структура с p-n преход, създава свободни двойки електрон-дупка, при условие че енергията на фотона hν надвишава забранената зона на полупроводника Напр.

Свободните електрони и дупки възникват както в областите на p- и n-прехода, така и в непосредствена близост до блокиращия слой. Електрическото поле, съществуващо в блокиращия слой (полето на p-n прехода), разделя свободните носители на заряд, създадени от светлина, в зависимост от техния знак, в различни части на фотодиода: свободните електрони се преместват в n-областта на прехода и дупките се преместват в p-областта, което води до зареждане на тези области (фиг. 2).

При осветяване дупките се натрупват в p-региона, зареждайки го положително. Електроните се натрупват в n-областта, като я зареждат отрицателно. Следователно между тях има потенциална разлика.

В този случай са възможни два режима на работа на устройството: във вериги с външен източник на захранване и без него. Режимът на работа на фотодиод с външен източник на захранване се нарича фотодиод, а без външен източник на захранване се нарича режим на генериране на фотонапрежение (друго име е фотоволтаичен режим).

Режим на генериране.В този случай към кръстовището не се прилага външно напрежение и веригата е отворена. Осветяването води до натрупване на фотоелектрони в n-областта и дупки в p-областта. В резултат на това се образува потенциална разлика U f (често наричана "напрежение

Ориз. 3 Фиг.4 - Волт-амперна характеристика на фотодиода

при различни светлинни потоци (Ф 1< Ф 2 < Ф 3).

празен ход U xx"), тоест появява се фото-емф. Натрупването на излишни електрони и дупки не е неограничено. Едновременно с увеличаването на концентрацията на дупки в областта на дупките и електрони в електронната област, потенциалната бариера на прехода намалява със стойността на фотонапрежението и настъпва дифузия на основните носители на заряд през p-n прехода. Има динамичен баланс.

При свързване към външните клеми на товарния фотодиод R n в неговата верига ще се появи ток (фиг. 3). Във външната верига фототокът е насочен от областта p към областта n. При такива условия фотодиодът работи като преобразувател на радиационна енергия в електрическа.

Волт-амперна характеристика на осветения p-n-преход.Характеристиката ток-напрежение на pn прехода при осветяване може да бъде записана в следната форма:

, (1)

където I n - ток на насищане на тъмно; I f - фототок, т.е. токът, създаден от носители на заряд, възбудени от светлина и преминаващи през pn прехода; U е външното напрежение на кръстовището.

На фиг. Фигура 4 показва графики на зависимости ток-напрежение за различни светлинни потоци F. При липса на осветяване (I f = 0), характеристиката ток-напрежение (тъмнина) преминава през началото. Останалите криви, съответстващи на определени светлинни потоци, се изместват по ординатната ос (ос на тока) в сегменти, равни на силата на фототока - I f. От израз (1) се вижда, че при обратното включване (U< 0) и при

(qU >> kT) ток през прехода I \u003d - (I n + I f).

Части от кривите, разположени в третия квадрант, съответстват на режима на работа на фотодиода): части от кривите, разположени в четвъртия квадрант, съответстват на режима на генериране на фотонапрежение.

Ако във външната верига силата на тока I \u003d 0 (веригата е отворена), тогава от израза (1) можете да намерите напрежението на отворена верига U f.

(2)

Ако фотодиодът в режим на генериране е свързан към външна верига с ниско съпротивление, тогава фотоелектроните в n-областта не се натрупват и U f = 0. И тъй като няма външно напрежение, токът I = - I f протича веригата, често наричана ток на късо съединение и право пропорционална на светлинния поток I f ~ F.

Ориз. 5 - Структурна схема на фотодиода и веригата

включване при работа в фотодиоден режим: фиг.6

1 - полупроводников кристал; 2 - контакти;

3 - заключения; Ф - електромагнитен поток

радиация; n и p са полупроводникови области;

E - източник на постоянен ток; R n - натоварване.

фотодиоден режим.В този режим към p-n прехода се прилага обратно напрежение

(p-областта е свързана с минуса на източника на напрежение, а n-областта с плюса на източника; фиг. 5). Веригата също така включва съпротивление на натоварване (резистор) R n. В този случай преходът има огромно съпротивление и през него протича слаб обратен ток (ток на насищане на тъмно I n). При осветяване на фотодиода токът през него рязко се увеличава поради появата на фототок и може значително да надвиши тъмния ток I n (фиг. 4). Съответно, спадът на напрежението върху съпротивлението на натоварване R n също се променя. С правилния избор на източник на напрежение и външно съпротивление R n, големината на електрическия сигнал (напрежението върху резистора) може да бъде голяма и следователно фотодиодите се използват широко за записване и измерване на светлинни сигнали.

Токът през фотодиода се определя главно от потоците на незначителни неравновесни носители на заряд (електрони в p-областта и дупки в n-областта), които възникват по време на осветяване, и не зависи от напрежението, т.е. има характер на ток на насищане. Следователно в режим на фотодиода се наблюдава строга линейна зависимост на фототока от осветеността до много високи стойности на осветеност. Това е важно предимство на фотодиодите.

За регистриране на променливи оптични сигнали (светлинни потоци) схемата, показана на фиг. 6. Променящият се светлинен поток, падащ върху фотодиода, предизвиква компонент на променлив ток във веригата, който повтаря промените в интензитета на светлината. И на резистора R n възникват същите промени в напрежението, което се подава към входа на записващата система. За да се отдели (да не се прескочи) постоянната съставка на напрежението през резистора, в сигналната верига е разположен разделителен кондензатор C.

2. Технология на производство и дизайн.За производството на pn преходи в производството на фотодиоди се използва методът на синтез на примеси и дифузия. В този случай основното внимание се обръща на дълбочината на p-n прехода спрямо

Фиг.7 - Конструкция на мушкато Фиг.8 - Спектрални характеристики

фотодиод FD-1. германиеви (1) и силициеви фотодиоди (2).

осветена кристална повърхност, тъй като тя определя инерцията (скоростта) на фотодиода. Фигура 7 показва конструкцията на германиевия фотодиод FD-1 в метален корпус. Кръгла плоча 1, изрязана от монокристал на германий с n-тип електрическа проводимост, се фиксира с помощта на кристален държач 2 в коварна кутия 3. Заключение 4 от индиев електрод, разтопен в германий, преминава през коварна тръба 5 фиксиран от стъклен изолатор 6 в крака на корпуса 7. Друг електрод е самият корпус на фотодиода, тъй като кристалът на германий е запоен към държача на кристала с калаен пръстен 8. Корпусът на фотодиода има кръгъл отвор, затворен със стъкло леща 9, която събира светлинния поток върху ограничената повърхност на германиевата пластина. За да се защити p-n-преходът от влиянието на околната среда, тялото на фотодиода е запечатано.

Някои видове фотодиоди имат пластмасов корпус. Материалът на такъв корпус и прозорец в метален корпус е избран така, че да са прозрачни за тази част от спектъра (лъчението), към която този фотодиод трябва да е чувствителен. И така, за германиеви устройства това е видима светлина и инфрачервено лъчение с къси вълни.

Материали, от които се правят фотодиодите, са Ge, Si, GaAs, HgCdTe и други полупроводникови съединения.

Основни характеристики и параметри на фотодиодите

- Чувствителност S -параметър, който отразява промяната в електрическия сигнал (ток или напрежение) на изхода на фотодиода, когато той свети.

Измерва се количествено чрез съотношението на промяната в електрическата характеристика (сила на тока I f или напрежение U f), взета на изхода на фотодиода, към радиационния поток Ф, падащ върху устройството.

S I \u003d I f / F- текуща чувствителност, S v \u003d U f / F- чувствителност към напрежение.

- Праг на чувствителност F p- стойността на минималния светлинен поток, регистриран от фотодиода, отнесен към единицата на работната честотна лента.

- Времева константа τ,който характеризира инерцията на устройството, тоест неговата скорост.

Това е времето, през което фотодиодният фототок се променя след осветяване или след потъмняване на фотодиода с e пъти по отношение на постоянната стойност.

За фотодиоди с p-n-преход е 10 -6 - 10 -8 s.

- Тъмно съпротивление R Tе съпротивлението на фотодиода при липса на осветеност.

- Спектрална характеристикае зависимостта на фототока от дължината на вълната λ на падащата върху фотодиода светлина. За германиеви и силициеви фотодиоди спектралните характеристики са показани на фиг. 8. Дължината на вълната, на която се дължи максималната чувствителност, за силициевите фотодиоди е приблизително равна на λmax = 800 - 900 nm, за германиевите фотодиоди е при λmax = 1500 - 1600 nm.

- Волт-амперни характеристики- зависимостта на светлинния ток от напрежението при постоянен светлинен поток.

- Светлинна характеристика -зависимост на фототока от осветеността.

Някои други параметри са показани в таблицата.

Конвенционалното графично обозначение на фотодиодите е показано на фиг. 9, снимките на някои фотодиоди са показани на фиг. 10.

Ориз. 9 Фиг.10

4. Приложение на фотодиоди.Съвременните фотодиоди имат най-добрата комбинация от основните параметри:

1. Висока чувствителност към оптични сигнали;

2. Висока производителност;

3. Ниско работно напрежение;

4. Линейна зависимост на фототока от осветеността в широк диапазон на осветеност.

5. Нисък шум;

6. Простота на устройството.

Поради това те се използват широко в устройства за автоматизация, компютърна и лазерна техника, оптични комуникационни линии.

В ежедневието фотодиодите се използват в устройства като CD-ROM устройства, съвременни камери и различни сензорни устройства.

Например инфрачервените фотодиоди се използват в дистанционни управления, системи за сигурност, сигурност и автоматизация.

Има рентгенови фотодиоди, използвани за откриване на йонизиращо лъчение и високоенергийни частици. Едно важно приложение е в медицински устройства, като скенери за компютърна томография.

Завършване на работата

Упражнение 1.Измерване на вольтамперната характеристика на фотодиод при липса на осветеност (на тъмно).

Когато светлинните кванти се абсорбират в p-n прехода или в съседни на него области, се генерират нови носители на заряд (електрони и дупки), които, преминавайки през него, предизвикват поява на напрежение на изводите на фотодиода или протичане на ток в затворен верига. Стойността, с която се увеличава обратният ток, протичащ през прехода, се нарича фототок.

Фотодиод, в зависимост от материала, от който е изработен, се използва за регистриране на светлинния поток в оптичния инфрачервен и ултравиолетов диапазон. Тези радиокомпоненти обикновено са направени от германий, силиций, галиев арсенид, индий и други подобни.

Фотодиодният режим използва външно захранване за обръщане на отклонението на полупроводниковото устройство. В този случай протича обратен ток, пропорционален на падащия върху него светлинен поток. В диапазона на работното напрежение (т.е. преди да настъпи повреда), този ток е практически независим от приложеното обратно напрежение.

Във фотоволтаичен режим фотодиодът действа като сензор или като слаботокова батерия, тъй като под въздействието на светлинния поток на клемите на фотоклетката се генерира напрежение в зависимост от радиационния поток и натоварването.

За да разберете по-добре режимите на работа на този компонент, разгледайте неговата характеристика ток-напрежение.

При липса на светлинно излъчване, графиката е обратният клон на I–V характеристиката на типичен диод. Има малък обратен ток, наречен обратен предубеден тъмен ток.

При наличие на радиация съпротивлението на фотодиода намалява и обратният ток се увеличава. Колкото повече светлинен поток пада върху фотоклетката, толкова повече обратен ток протича през фотодиода. Зависимостта в този режим е линейна. Както можем да видим от CVC, обратният ток на фотодиода е практически независим от обратното напрежение.

Фотоволтаичният режим съответства на работа в четвъртата четвърт на графиката. И тук можем да различим две ограничителни опции: празен ход и късо съединение.

Режимът, близък до празен ход, се използва за получаване на енергия от фотодиода, въпреки че неговата ефективност е ниска. Но ако свържете много такива компоненти последователно и паралелно, тогава получената батерия може да захранва верига с ниска мощност.

В режим на късо съединение напрежението на фотоклетката клони към нула, а обратният ток е право пропорционален на светлинния поток. Този режим се използва за изграждане на фото сензори.

Спецификации на фотодиода

В допълнение към CVC, обсъден по-горе, има редица основни параметри на фотоклетката.

Светлинна характеристика на фотодиод, зависимостта на фототока от осветеността, която е правопропорционална на генерирания фототок при осветяване. Това се обяснява с факта, че дебелината на основата на фотодиода е много по-малка от дължината на дифузия на малцинствените носители на заряд. Тоест, почти всички малцинствени носители на заряд, които се появяват в основата, участват във формирането на фототок.

Спектрална характеристикафотодиод е зависимостта на фототока от дължината на вълната на светлинния поток, действащ върху фотоклетката.

времева константа- през това време фототокът на фотоклетката се променя след осветяване или след потъмняване на фотодиода спрямо постоянната стойност.

тъмно съпротивление- устойчивост на радиокомпонента при липса на осветление.

Фотодиодът е полупроводников диод, чийто ток зависи от осветеността. Обикновено този ток означава обратния ток на фотодиода, тъй като неговата зависимост от осветеността се изразява с порядъци по-силни от постоянния ток. В бъдеще ще говорим за обратния ток.

Като цяло, фотодиодът е p-n преход, отворен за светлинно излъчване. Под въздействието на светлината в областта на p-n прехода се генерират носители на заряд (електрони и дупки), които преминават през него и предизвикват напрежение на изводите на фотодиода или протичане на ток в затворена верига.

Фотодиодът, в зависимост от неговия материал, е предназначен да регистрира светлинния поток в инфрачервени, оптични и ултравиолетови дължини на вълните. Фотодиодите са направени от силиций, германий, галиев арсенид, индиево-галиев арсенид и други материали.

Фотодиодите се използват широко в системите за управление, метрологията, роботиката и други области. Те се използват и като част от други компоненти, например оптрони, оптронела. По отношение на микроконтролерите фотодиодите се използват като различни сензори - крайни сензори, сензори за светлина, сензори за разстояние, сензори за импулси и др.

Обозначаване на диаграмите

На електрическите диаграми фотодиодът се нарича диод с две стрелки, сочещи към него. Стрелките символизират падането на радиацията върху фотодиода. Не бъркайте с обозначението на светодиода, в което стрелките са насочени далеч от него.

Буквеното означение на фотодиода може да бъде VD или BL (фотоклетка).

Режими на работа на фотодиода

Фотодиодът работи в два режима: фотодиоден и фотоволтаичен (фотоволтаичен, генераторен).

Фотодиодният режим използва захранване, което предупреждава обратно фотодиода. В този случай през фотодиода протича обратен ток, пропорционален на падащия върху него светлинен поток. В диапазона на работното напрежение (т.е. преди да настъпи повреда), този ток е практически независим от приложеното обратно напрежение.

Във фотоволтаичен режим фотодиодът работи без външно захранване. В този режим може да работи като сензори или като батерия (слънчева батерия), тъй като под въздействието на светлината на изходите на фотодиода се появява напрежение, което зависи от радиационния поток и натоварването.

Волт-амперни характеристики

За да разберете по-добре режимите на работа на фотодиода, трябва да вземете предвид неговата характеристика на напрежението.

Графиката се състои от 4 области, така наречените квадранти. Режимът на фотодиода съответства на работа в 3-ти квадрант.

При липса на радиация графиката е обратният клон на характеристиката ток-напрежение на конвенционален полупроводников диод. Има малък обратен ток, който се нарича топлинен (тъмен) ток на обратно наклонения p-n преход.

При наличие на светлинен поток съпротивлението на фотодиода намалява и обратният ток на фотодиода се увеличава. Колкото повече светлина пада, толкова повече обратен ток протича през фотодиода. Зависимостта на обратния ток на фотодиода от светлинния поток в този режим е линейна.

От графиката се вижда, че обратният ток на фотодиода зависи слабо от обратното напрежение. Погледнете наклона на графиката от нулево напрежение до напрежение на пробив, малък е.

Фотоволтаичният режим съответства на работата на фотодиода в 4-ти квадрант.Тук има два крайни случая:

празен ход (xx),
- късо съединение (късо съединение).

Режимът близо до неактивен се използва за получаване на захранване от фотодиода. Тоест за използването на фотодиод като слънчева батерия. Разбира се, един фотодиод ще бъде малко полезен и неговата ефективност е ниска. Но ако свържете много елементи, тогава такава батерия може да захранва някое устройство с ниска мощност.

В режим на късо съединение напрежението на фотодиода е близо до нула, а обратният ток е право пропорционален на светлинния поток. Този режим се използва за изграждане на фотосензори.

Какви са предимствата и недостатъците на фотодиодния и фотоволтаичния режим на работа? Фотодиодният режим осигурява по-бърза работа на фотодиода, но в този режим винаги има тъмен ток. Във фотоволтаичен режим няма тъмен ток, но скоростта на сензорите ще бъде по-бавна.