Fotodiódák: egyszerű nyelven részletezve. A fotodiódák főbb jellemzői és paraméterei A fotodióda, mint áramforrás

Cél: fotodióda- optikai sugárzás vevője, amely a fényérzékeny területére esett fényt elektromos töltetté alakítja.

Működési elve: A legegyszerűbb fotodióda egy hagyományos félvezető dióda, amely lehetőséget biztosít a p–n átmeneten optikai sugárzásnak való kitételre. A p-n átmenet síkjára merőleges irányú sugárzás hatására a sávköznél nagyobb energiájú fotonok abszorpciója következtében az n-régióban elektron-lyuk párok jelennek meg. Ezeket az elektronokat és lyukakat nevezzük fotóhordozók. Amikor a fotohordozók mélyen az n tartományba diffundálnak, az elektronok és lyukak fő frakciójának nincs ideje újrakombinálódni, és eléri a p–n átmenet határát. Itt a fotohordozókat a p–n átmenet elektromos tere elválasztja, és a lyukak a p tartományba kerülnek, míg az elektronok nem tudják legyőzni az átmeneti mezőt, és felhalmozódnak a p–n átmenet és az n tartomány határfelületén. Így a p–n csomóponton áthaladó áram a kisebbségi hordozók – lyukak – sodródásából adódik. A fotohordozók sodródó áramát ún fotoáram.

A fotodiódák két üzemmód egyikében működhetnek - külső elektromos energiaforrás nélkül (fotogenerátor üzemmód) vagy külső elektromos energiaforrással (fotokonverter üzemmód).

Készülék: egy fotodióda szerkezeti diagramja. 1 - félvezető kristály; 2 - érintkezők; 3 - következtetések; Ф - elektromágneses sugárzás fluxusa; E - egyenáramú forrás; Rн - terhelés.

Lehetőségek: érzékenység (az elektromos állapot változását tükrözi a fotodióda kimenetén, amikor egyetlen optikai jel kerül a bemenetre.); zaj (a hasznos jel mellett kaotikus jel jelenik meg a fotodióda kimenetén véletlenszerű amplitúdóval ill. spektrum- fotodióda zaj)

Jellemzők: a) áram-feszültség karakterisztika A fotodióda a kimeneti feszültség függése a bemeneti áramtól. b) fényjellemző a fényáram megvilágítástól való függése megfelel a fényáram megvilágítással való egyenes arányosságának. c) a fotodióda spektrális karakterisztikája a fotoáram függése a fotodiódára beeső fény hullámhosszától.

Alkalmazás: a) optoelektronikai integrált áramkörök.

b) többelemes fotodetektorok.c) optocsatolók.

9. LED-ek. Cél, eszköz, működési elv, alapvető paraméterek és jellemzők.

Cél: LED Félvezető eszköz, amely fényt bocsát ki, amikor az áram előrefelé halad át rajta.

Működési elv: A munka alapja a fénysugárzás előfordulásának fizikai jelensége az elektromos áram p-n átmeneten való áthaladása során. A ragyogás színét (az emissziós spektrum maximumának hullámhosszát) a p-n átmenetet alkotó félvezető anyagok típusa határozza meg.

A LED egy vagy több n-p átmenettel rendelkező félvezetőt kibocsátó eszköz, amely az elektromos energiát inkoherens fénysugárzás energiájává alakítja. A sugárzás a befecskendezett hordozók rekombinációja eredményeként jön létre az n-p átmenettel szomszédos régiók egyikében. A rekombináció akkor következik be, amikor a hordozók a felsőbb szintekről az alsóbb szintekre kerülnek.

Jellemzők és paraméterek: a LED-ek fő paramétere a belső kvantumhatásfok (a fotonok számának az alapba injektált hordozók számához viszonyított aránya) és a külső hatásfok (a LED-ről érkező fotonfluxus és a töltéshordozó fluxus aránya) benne). A külső hatékonyságot nagymértékben meghatározza a technológia és szintje növekedésével jelentősen növelhető.

A LED-ek fő jellemzői az áram-feszültség, a fényerő és a spektrum. A fénykibocsátó diódák fő paraméterei a hullámhossz, az emissziós spektrum félszélessége, az emissziós teljesítmény, a működési frekvencia és a sugárzási mintázat.

A LED-eket széles körben használják digitális indikátorokban, fénykijelzőkben és optoelektronikai eszközökben. Ezek alapján elvileg lehet színes televízió képernyőt kialakítani.

Az elektrotechnikában különleges helyet foglalnak el a fotodiódák, amelyeket különféle eszközökben és eszközökben használnak. A fotodióda egy félvezető elem, amely tulajdonságaiban hasonló egy egyszerű diódához. Fordított árama közvetlenül függ a rá eső fényáram intenzitásától. Leggyakrabban p-n átmenettel rendelkező félvezető elemeket használnak fotodiódaként.

Eszköz és működési elv

A fotodióda számos elektronikus eszköz része. Ezért tett szert széles népszerűségre. A közönséges LED egy p-n átmenetű dióda, melynek vezetőképessége a ráeső fénytől függ. Sötétben a fotodióda a hagyományos diódák jellemzőivel rendelkezik.

1 - félvezető csomópont.
2 - pozitív pólus.
3 - fényérzékeny réteg.
4 - negatív pólus.

Az átmeneti síkon lévő fényáram hatására a fotonok a határértéket meghaladó energiával nyelődnek el, ezért az n-régióban töltéshordozó-párok - fotohordozók - jönnek létre.

Amikor a fotohordozókat az "n" régió mélyén keverik, a hordozók nagy részének nincs ideje rekombinálni, és átmegy a p-n határig. Az átmenetnél a fotohordozókat elektromos tér választja el. Ebben az esetben a lyukak átmennek a „p” tartományba, és az elektronok nem tudnak átmenni az átmeneten, ezért a p-n átmenet határa közelében, valamint az „n” tartományban halmozódnak fel.

A dióda fordított árama fény hatására megnő. Azt az értéket, amellyel a fordított áram növekszik, fotoáramnak nevezzük.

A lyukak formájában lévő fotohordozók a "p" régió pozitív töltését hajtják végre az "n" régióhoz képest. Az elektronok viszont negatív töltést hoznak létre az "n" tartományban a "p" tartományhoz képest. A keletkező potenciálkülönbséget fotoelektromotoros erőnek nevezzük, és "E f"-vel jelöljük. A fotodiódában fellépő elektromos áram fordított, és a katódról az anódra irányul. Sőt, értéke a megvilágítás mértékétől is függ.

Üzemmódok

A fotodiódák a következő üzemmódokban képesek működni:

• Fotógenerátor mód. Nincs elektromos csatlakozás.
• Photoconverter mód. Külső tápcsatlakozással.

Munkában fotogenerátor A napfényt elektromos energiává alakító áramforrás helyett fotodiódákat használnak. Az ilyen fotógenerátorokat napelemeknek nevezik. Ezek a napelemek fő részei, amelyeket különféle eszközökben használnak, beleértve az űrhajókon is.

A szilícium alapú napelemek hatásfoka 20%, a filmelemeknél ez a paraméter jóval magasabb. A napelemek fontos tulajdonsága a kimeneti teljesítmény függése az érzékeny réteg súlyától és területétől. Ezek a tulajdonságok elérik a 200 W/kg és 1 kW/m 2 értéket.

Amikor a fotodióda úgy működik fotokonverter , a feszültségforrás fordított polaritással csatlakozik az áramkörhöz. Ebben az esetben az áram-feszültség karakterisztika fordított grafikonjait használják a különböző megvilágítási feltételekhez.

Az R n terhelés feszültségét és áramát a grafikonon a fotodióda és a terhelési vonal karakterisztikájának metszéspontja határozza meg, amely megfelel az R n ellenállásnak. Sötétben a fotodióda működésében egyenértékű a hagyományos diódával. Az áramerősség sötét üzemmódban szilícium diódáknál 1-3 mikroamper, germánium diódáknál 10-30 mikroamper.

A fotodiódák típusai

Számos különböző típusú fotodióda létezik, amelyeknek megvannak a maga előnyei.

p – én – nfotodióda

A p-n tartományban ennek a diódának nagy ellenállású és belső vezetőképességű szakasza van. Fény hatására lyuk- és elektronpárok jelennek meg. Ebben a zónában az elektromos tér állandó értékű, nincs tértöltés.

Ez a segédréteg jelentősen csökkenti a záróréteg kapacitását, és független a feszültségtől. Ez kiterjeszti a diódák működési frekvenciasávját. Ennek eredményeként a sebesség meredeken emelkedik, és a frekvencia eléri a 10 10 hertzet. Ennek a rétegnek a megnövekedett ellenállása jelentősen csökkenti az üzemi áramot világítás hiányában. Ahhoz, hogy a fényáram át tudjon hatolni a p-rétegen, nem lehet vastag.

Lavina fotodiódák

Ez a típusú dióda egy rendkívül érzékeny félvezető, amely a fényt elektromos áramjellé alakítja fotoelektromos effektus segítségével. Más szóval, ezek olyan fotodetektorok, amelyek a lavina-sokszorozó hatás miatt felerősítik a jelet.

1 - ohmos érintkezők 2 - tükröződésmentes bevonat

A lavina fotodiódák érzékenyebbek, mint a többi fotodetektor. Ez lehetővé teszi, hogy gyenge fényviszonyok mellett is használják őket.

A szuperrácsokat a lavina fotodiódák tervezésénél használják. Lényegük abban rejlik, hogy a hordozók ütési ionizációjának jelentős különbségei a zaj csökkenéséhez vezetnek.

A hasonló szerkezetek használatának másik előnye a lavinatenyésztés lokalizációja. Csökkenti az interferenciát is. A szuperrácsban a rétegek vastagsága 100-500 angström.

Működési elve

A lavinatörés értékéhez közeli fordított feszültségnél a fotoáram a töltéshordozók ütközési ionizációja miatt meredeken megnövekszik. A hatás az, hogy az elektron energiája felemelkedik a külső mezőből, és meghaladhatja az anyag ionizációs határát, aminek eredményeként ennek az elektronnak a valenciasávból származó elektronnal való találkozása egy új pár megjelenéséhez vezet. az elektron és a lyuk. Ennek a párnak a töltéshordozóit a mező felgyorsítja, és hozzájárulhat új töltéshordozók kialakulásához.

Jellemzők

Az ilyen fénydiódák tulajdonságai bizonyos függőséggel írhatók le.

Volt-amper

Ez a jellemző az áramerősség állandó fényáram mellett a feszültségtől való függése.

én- aktuális M- szorzótényező U- feszültség

Világító

Ez a tulajdonság a dióda áramának a megvilágítástól való függése. A fényáram növekedésével a fényáram növekszik.

Spektrális

Ez a tulajdonság a dióda áramának a fény hullámhosszától való függése, és a határzóna szélessége.

Időállandó

Ez az az idő, amely alatt a dióda fotoárama megváltozik a fény alkalmazása után az állandósult állapothoz képest.

sötét ellenállás

Ez a dióda ellenállásértéke sötétben.

tehetetlenség

Ezt a tulajdonságot befolyásoló tényezők:

• Nem egyensúlyi töltéshordozók diffúziós ideje.
• Az áthaladás ideje a p-n átmenet mentén.
• A p-n átmenet sorompó kapacitásának újratöltési periódusa.

Hatály

A fotodiódák számos optoelektronikai eszköz fő elemei.

Integrált áramkörök (optoelektronikus)

Egy fotodióda működési sebessége jelentős lehet, de az áramerősítési tényező nem több, mint egység. Az optikai csatlakozásnak köszönhetően a mikroáramkörök jelentős előnyökkel rendelkeznek: a vezérlőáramkörök ideális galvanikus leválasztása az erős áramköröktől. Ugyanakkor funkcionális kapcsolat is fennmarad közöttük.

Több elemes fotódetektorok

Ezek a fotodióda mátrix, a szkenner formájú eszközök új progresszív elektronikai eszközök. A fotodiódával ellátott optoelektronikus szemük választ adhat az objektumok térbeli és fényességi tulajdonságaira. Más szóval, láthatja teljes vizuális képét.

A fényre érzékeny sejtek száma igen nagy. Ezért a sebesség és az érzékenység kérdései mellett az információk olvasására is szükség van. Minden több fotocellával rendelkező fotodetektor pásztázó rendszer, vagyis olyan eszköz, amely lehetővé teszi a vizsgált tér elemzését szekvenciális elemenkénti megtekintéssel.

A fotodiódákat széles körben használják száloptikai vonalakban és lézeres távolságmérőkben is. A közelmúltban ilyen fénydiódákat használnak a pozitronemissziós tomográfiában.

Jelenleg lavina fotodiódákból álló fényérzékeny mátrixokból állnak rendelkezésre minták. Hatékonyságuk és terjedelemük több tényezőtől függ.

A leginkább befolyásoló tényezők a következők voltak:

• A teljes szivárgó áram, amely a zaj és a fény hiányában fennálló áram összeadásából adódik.
• A kvantumhatékonyság, amely meghatározza a beeső kvantumok arányát, ami áram- és töltéshordozók megjelenéséhez vezet.

16. labor

Fotodióda vizsgálat

Cél: Ismerkedjen meg a félvezető fotodiódák működési elvével, eszközével, jellemzőivel és alkalmazási lehetőségeivel.

Eszközök és tartozékok: germánium fotodióda FD-7G, diódák áram-feszültség karakterisztikájának mérésére szolgáló állvány, optikai pad megvilágítóval, tápegység, oszcilloszkóp.

Elméleti bevezető

fotodióda félvezető diódának nevezik, amely fényérzékeny, és a fényáramot (optikai sugárzást) elektromos jellé alakítja át.

A működési elvben nem különbözik a napenergia fotokonverterétől, a fotodiódák saját tervezési jellemzőkkel és jellemzőkkel rendelkeznek, amelyeket a céljuk határoz meg.

A fotodiódákat optikai sugárzás (általában látható és infravörös) vevőjeként és érzékelőjeként való használatra szánják a látható és infravörös sugárzást használó berendezések és különféle eszközök részeként.

A fotodiódák működése a belső fotoelektromos hatás jelenségén alapul, melynek során a fény hatására további (nem egyensúlyi) elektronok és lyukak jelennek meg a félvezetőben, amelyek fényáramot vagy fotofeszültséget hoznak létre.

1. A p-n átmenetű fotodiódák működési elve. A fotodiódákban a fényérzékeny elem az átmeneti tartomány - p-n-átmenet, amely az elektronikus és lyukvezetésű régiók között helyezkedik el (1. ábra).

P-n átmenet kialakulása. Egy n-típusú félvezető bizonyos mennyiségű szennyező donor típusú atomot tartalmaz, amelyek szobahőmérsékleten szinte mind ionizálódnak. Így egy ilyen félvezetőben nincs szabad elektron és ugyanannyi mozdulatlan pozitív töltésű ion a donor szennyeződésből.

Hasonló helyzet fordul elő egy lyukas félvezetőben (p-típusú félvezetőben). Szabad lyukakról és ugyanennyi akceptor atom negatív töltésű ionjairól van p. A p-n átmenet kialakításának elvét a 3. ábra mutatja. 1.

Amikor a p- és n-régiók érintkeznek bennük, az elektronok és lyukak koncentráció-gradiensének jelenléte miatt az elektronok diffúziós áramlása jön létre az n-típusú félvezetőből a p-típusú félvezetőbe, és fordítva, egy lyukáramlás a p-félvezetőből az n-félvezetőbe. Az n-régióból a p-régióba átjutott elektronok a határfelülethez közeli lyukakkal rekombinálódnak. A lyukak hasonlóan rekombinálódnak, a p-régióból az n-régióba kerülnek. Ennek eredményeként a p-n átmenet közelében gyakorlatilag nincsenek szabad töltéshordozók (elektronok és lyukak).

Így a p-n átmenet mindkét oldalán mozdulatlan szennyezőionok (más elnevezések - kimerítő réteg vagy tértöltési régió (SCR), blokkoló réteg) alkotta kettős töltésű réteg képződik, amely erős elektromos mezőt hoz létre. A blokkolóréteg elektromos tere az n-régióból a p-régióba irányul, és ellensúlyozza a fő töltéshordozók diffúziós folyamatát a p-n-csatlakozástól távoli területekről a kimerült régióba. Az ilyen állapot egyensúlyi állapot, és külső zavarok hiányában tetszőlegesen hosszú ideig fennállhat.

Rizs. 1 – A p-n átmenet kialakulása Fig. 2

Hogyan működik a fotodióda. A p-n átmenetű félvezető szerkezetben elnyelt optikai sugárzás (fény) szabad elektron-lyuk párokat hoz létre, feltéve, hogy a hν fotonenergia meghaladja a félvezető sávközét Pl.

Szabad elektronok és lyukak keletkeznek mind a p- és n-csatlakozási régiókban, mind a blokkolóréteg közvetlen közelében. A blokkoló rétegben (a p-n átmenet tere) meglévő elektromos tér a fény hatására létrejövő szabad töltéshordozókat, előjelüktől függően, a fotodióda különböző részeire választja szét: a szabad elektronok a csomópont n-es tartományába mozognak, ill. lyukak a p-régióba költöznek, ami ezeknek a területeknek a feltöltéséhez vezet (2. ábra).

Ha világít, lyukak halmozódnak fel a p-régióban, pozitívan töltve azt. Az elektronok felhalmozódnak az n-régióban, negatívan töltve azt. Ezért potenciálkülönbség van köztük.

Ebben az esetben a készülék két üzemmódja lehetséges: külső áramforrással és anélkül. A külső áramforrással működő fotodióda működési módját fotodiódának, külső áramforrás nélkül pedig fotovoltaikus üzemmódnak (más néven fotovoltaikus üzemmód) nevezzük.

Generációs mód. Ebben az esetben a csomópontra nincs külső feszültség, és az áramkör szakadt. A megvilágítás az n-régióban fotoelektronok, a p-régióban pedig lyukak felhalmozódásához vezet. Ennek eredményeként U f potenciálkülönbség képződik (gyakran "feszültségnek nevezik

Rizs. 3 4. ábra - A fotodióda Volt-amper karakterisztikája

különböző fényáramoknál (Ф 1< Ф 2 < Ф 3).

üresjárat U xx "), azaz megjelenik egy fotó-emf. A felesleges elektronok és lyukak felhalmozódása nem korlátlan. A lyukak koncentrációjának növekedésével a lyuktartományban és az elektronok koncentrációjának növekedésével az átmenet potenciálgátja a fotofeszültség értékével csökken, és a többségi töltéshordozók diffúziója következik be a p-n átmeneten keresztül. Dinamikus egyensúly van.

Az R n terhelési fotodióda külső kapcsaira csatlakoztatva áram jelenik meg az áramkörében (3. ábra). A külső áramkörben a fotoáramot a p tartományból az n tartományba irányítják. Ilyen körülmények között a fotodióda a sugárzási energiát elektromos energiává alakítja.

A megvilágított p-n átmenet Volt-amper karakterisztikája. A megvilágított pn átmenet áram-feszültség karakterisztikája a következő formában írható fel:

, (1)

ahol I n - telítési áram sötétben; I f - fotoáram, azaz a fény által gerjesztett és a pn átmeneten áthaladó töltéshordozók által létrehozott áram; U a külső feszültség a csatlakozásnál.

ábrán. A 4. ábrán különböző F fényáramok áram-feszültség függésének grafikonja látható. Megvilágítás hiányában (I f = 0) az áram-feszültség (sötét) karakterisztika átmegy az origón. Az egyes fényáramoknak megfelelő fennmaradó görbék az ordináta tengely (áramtengely) mentén a fotoáram - I f - erősségű szegmensekre tolódnak el. Az (1) kifejezésből látható, hogy a fordított inklúzióval (U< 0) и при

(qU >> kT) áram az I \u003d - (I n + I f) átmeneten keresztül.

A görbék harmadik kvadránsban elhelyezkedő részei a fotodióda üzemmódnak felelnek meg: a görbék negyedik kvadránsban elhelyezkedő részei a fotofeszültség előállítási módnak felelnek meg.

Ha a külső áramkörben az áramerősség I \u003d 0 (az áramkör nyitott), akkor az (1) kifejezésből megtalálhatja az U f nyitott áramköri feszültséget.

(2)

Ha a generáló üzemmódban lévő fotodiódát egy kis ellenállású külső áramkörre csatlakoztatjuk, akkor az n-es tartományban nem halmozódnak fel a fotoelektronok, és U f = 0. És mivel nincs külső feszültség, az I = - I f áram folyik be. az áramkör, amelyet gyakran rövidzárlati áramnak neveznek, és egyenesen arányos az I f ~ F fényárammal.

Rizs. 5 - A fotodióda és az áramkör szerkezeti diagramja

bekapcsolása fotodióda üzemmódban végzett munka során: 6. ábra

1 - félvezető kristály; 2 - érintkezők;

3 - következtetések; Ф - elektromágneses fluxus

sugárzás; n és p félvezető régiók;

E - egyenáramú forrás; R n - terhelés.

fotodióda mód. Ebben az üzemmódban a p-n átmenetre fordított feszültség kerül

(a p-régió a feszültségforrás mínuszához, az n-régió pedig a forrás pluszhoz kapcsolódik; 5. ábra). Az áramkör egy R n terhelési ellenállást (ellenállást) is tartalmaz. Ebben az esetben az átmenetnek hatalmas ellenállása van, és gyenge fordított áram folyik át rajta (sötétben telítési áram I n). Amikor a fotodióda meg van világítva, a rajta áthaladó áram erősen megnövekszik a fotoáram megjelenése miatt, és jelentősen meghaladhatja az I n sötétáramot (4. ábra). Ennek megfelelően az R n terhelési ellenálláson a feszültségesés is változik. A feszültségforrás és az R n külső ellenállás megfelelő megválasztásával az elektromos jel nagysága (az ellenálláson áthaladó feszültség) nagy lehet, ezért a fotodiódákat széles körben használják fényjelek rögzítésére és mérésére.

A fotodiódán átmenő áramot elsősorban a megvilágítás során fellépő kisebb nem egyensúlyi töltéshordozók (elektronok a p-régióban és lyukak az n-régióban) fluxusai határozzák meg, amelyek nem függnek a feszültségtől, azaz karakteres. telítési áramról. Ezért a fotodióda üzemmódban a fotoáram szigorú lineáris függése a megvilágítástól egészen magas megvilágítási értékekig. Ez a fotodiódák fontos előnye.

A változó optikai jelek (fényáramok) regisztrálásához a 2. ábrán látható séma. 6. A fotodiódára beeső változó fényáram váltakozó áramú komponenst idéz elő az áramkörben, amely megismétli a fényintenzitás változásait. És az R n ellenálláson ugyanazok a feszültségváltozások következnek be, amelyeket a rögzítő rendszer bemenetére táplálnak. Az ellenálláson lévő feszültség állandó összetevőjének leválasztása (nem kihagyása) érdekében a jeláramkörben egy C elválasztókondenzátor található.

2. Gyártási technológia és tervezés. A fotodiódák gyártásánál a pn átmenetek gyártásához a szennyeződés-fúziós módszert és a diffúziót alkalmazzák. Ebben az esetben a fő figyelmet a p-n átmenet relatív mélységére fordítjuk

7. ábra - Muskátli felépítése 8. ábra - Spektrális jellemzők

FD-1 fotodióda. germánium (1) és szilícium fotodiódák (2).

megvilágított kristályfelület, mivel ez határozza meg a fotodióda tehetetlenségét (sebességét). A 7. ábra az FD-1 germánium fotodióda kialakítását mutatja fémházban. Az n-típusú elektromos vezetőképességű germánium egykristályából kivágott kerek 1. lapot egy kristálytartó 2 segítségével rögzítjük egy kovar tokba 3. A germániumba olvasztott indium elektród 4. következtetése egy 5 kovar csövön van átvezetve. üveg szigetelővel 6 rögzítve a tok 7 lábában. Az elektróda másik része maga a fotodióda ház, mivel a germánium kristály óngyűrűvel van a kristálytartóhoz forrasztva. lencse 9, amely a fényáramot a germániumlemez korlátozott felületén gyűjti össze. A p-n átmenetnek a környezeti hatásoktól való védelme érdekében a fotodióda testét tömítették.

Egyes típusú fotodiódák műanyag házzal rendelkeznek. Az ilyen ház és a fémházban lévő ablak anyagát úgy választják meg, hogy átlátszóak legyenek a spektrum azon részére (sugárzás), amelyre ennek a fotodiódának érzékenynek kell lennie. Tehát a germánium eszközök esetében ez látható fény és rövidhullámú infravörös sugárzás.

Anyagok, amelyekből fotodiódák készülnek, Ge, Si, GaAs, HgCdTe és más félvezető vegyületek.

A fotodiódák főbb jellemzői és paraméterei

- S érzékenység - paraméter, amely tükrözi az elektromos jel (áram vagy feszültség) változását a fotodióda kimenetén, amikor az világít.

Ezt mennyiségileg a fotodióda kimenetén felvett elektromos karakterisztika (áramerősség I f vagy U f feszültség) változásának a készülékre eső Ф sugárzási fluxushoz viszonyított arányával mérjük.

S I \u003d I f / F- áramérzékenység, S v \u003d U f / F- feszültségérzékenység.

- Érzékenységi küszöb F p- a fotodióda által rögzített minimális fényáram értéke, az üzemi frekvenciasáv egységére vonatkoztatva.

- τ időállandó, amely az eszköz tehetetlenségét, azaz sebességét jellemzi.

Ez az az idő, ameddig a fotodióda fotoárama megváltozik a megvilágítás után vagy a fotodióda e-szeres elsötétülése után az állandó értékhez képest.

A p-n átmenettel rendelkező fotodiódáknál ez 10 -6 - 10 -8 s.

- Sötét ellenállás R T a fotodióda ellenállása megvilágítás hiányában.

- Spektrális jellemző a fényáram függése a fotodiódára eső fény λ hullámhosszától. Germánium és szilícium fotodiódák esetén a spektrális jellemzőket a 8. ábra mutatja. A maximális érzékenységet adó hullámhossz szilícium fotodiódáknál megközelítőleg λmax = 800-900 nm, germánium fotodiódáknál λmax = 1500-1600 nm.

- Volt-amper jellemzők- a fényáram függése a feszültségtől állandó fényáram mellett.

- Fény jellemző - a fényáram függése a megvilágítástól.

Néhány további paraméter a táblázatban látható.

A fotodiódák hagyományos grafikai jelölését a 9. ábra, egyes fotodiódák fényképeit a 10. ábra mutatja.

Rizs. 9 10. ábra

4. Fotodiódák alkalmazása. A modern fotodiódák a fő paraméterek legjobb kombinációjával rendelkeznek:

1. Nagy érzékenység az optikai jelekre;

2. Nagy teljesítmény;

3. Alacsony üzemi feszültség;

4. A fotoáram lineáris függése a megvilágítástól széles megvilágítási tartományban.

5. Alacsony zajszint;

6. A készülék egyszerűsége.

Ezért széles körben használják automatizálási eszközökben, számítógépes és lézertechnológiában, száloptikai kommunikációs vonalakban.

A mindennapi életben a fotodiódákat olyan eszközökben használják, mint a CD-ROM meghajtók, a modern kamerák és a különféle érintőeszközök.

Az infravörös fotodiódákat például távirányítókban, biztonsági, biztonsági és automatizálási rendszerekben használják.

Az ionizáló sugárzás és a nagy energiájú részecskék kimutatására röntgen fotodiódákat használnak. Az egyik fontos alkalmazás az orvosi eszközökben, például a CT-szkennerekben.

A munka befejezése

1. Feladat. Fotodióda áram-feszültség karakterisztikájának mérése megvilágítás hiányában (sötétben).

A p-n átmenetben vagy a vele szomszédos területeken fénykvantumok elnyelésekor új töltéshordozók (elektronok és lyukak) keletkeznek, amelyek áthaladva a fotodióda kivezetésein feszültséget jelenítenek meg, vagy egy zárt térben áram folyik. áramkör. A csomóponton átfolyó fordított áram mértékét fotoáramnak nevezzük.

Az anyagtól függően, amelyből készült, fotodiódát használnak a fényáram regisztrálására az optikai infravörös és ultraibolya tartományban. Ezek a rádióalkatrészek általában germániumból, szilíciumból, gallium-arzenidből, indiumból és hasonlókból készülnek.

A fotodióda mód külső tápegységet használ a félvezető eszköz megfordítására. Ebben az esetben a rá eső fényárammal arányos fordított áram folyik át. Az üzemi feszültségtartományban (azaz a leállás előtt) ez az áram gyakorlatilag független az alkalmazott fordított feszültségtől.

A fotovoltaikus üzemmódban a fotodióda érzékelőként vagy gyengeáramú akkumulátorként működik, mivel a fényáram hatására a fotocella kapcsain a sugárzási fluxustól és terheléstől függően feszültség keletkezik.

Az alkatrész működési módjának jobb megértéséhez vegye figyelembe az áram-feszültség karakterisztikáját.

Fénykibocsátás hiányában a grafikon egy tipikus dióda I–V karakterisztikájának fordított ága. Van egy kis visszatérő áram, amelyet fordított előfeszített sötét áramnak neveznek.

Sugárzás jelenlétében a fotodióda ellenállása csökken, a fordított áram pedig nő. Minél több fényáram esik a fotocellára, annál több fordított áram folyik át a fotodiódán. A függőség ebben a módban lineáris. Amint a CVC-ből láthatjuk, a fotodióda fordított árama gyakorlatilag független a fordított feszültségtől.

A fotovoltaikus üzemmód a grafikon negyedik negyedében lévő munkának felel meg. És itt két korlátozó lehetőséget különböztethetünk meg: az üresjáratot és a rövidzárlatot.

Az üresjárathoz közeli üzemmódot arra használják, hogy energiát nyerjenek a fotodiódából, bár hatékonysága alacsony. De ha sok ilyen alkatrészt sorba és párhuzamosan csatlakoztat, akkor egy ilyen kapott akkumulátor képes táplálni egy alacsony fogyasztású áramkört.

Rövidzárlatos üzemmódban a fotocellán a feszültség nullára hajlik, és a fordított áram egyenesen arányos a fényárammal. Ezt a módot fotóérzékelők építésére használják.

A fotodióda jellemzői

A fent tárgyalt CVC-n kívül a fotocellának számos alapvető paramétere van.

Fotodióda fénykarakterisztika, a fényáram megvilágítástól való függése, amely egyenesen arányos a megvilágításon keletkező fotoárammal. Ez azzal magyarázható, hogy a fotodióda alapjának vastagsága jóval kisebb, mint a kisebbségi töltéshordozók diffúziós hossza. Vagyis a bázisban megjelent szinte valamennyi kisebbségi töltéshordozó részt vesz a fotoáram kialakításában.

Spektrális jellemző A fotodióda a fényáramnak a fotocellára ható fényáram hullámhosszától való függése.

időállandó- ezalatt a fotocella fényárama megvilágítás után vagy a fotodióda elsötétülése után az állandó értékhez képest megváltozik.

sötét ellenállás- a rádióalkatrész ellenállása világítás hiányában.

A fotodióda egy félvezető dióda, amelynek áramerőssége a megvilágítástól függ. Általában ez az áram a fotodióda fordított áramát jelenti, mert a megvilágítástól való függését az egyenáramnál nagyságrendekkel erősebben fejezik ki. A jövőben a fordított áramról fogunk beszélni.

Általában a fotodióda egy fénysugárzásra nyitott p-n átmenet. Fény hatására a p-n átmenet tartományában töltéshordozók (elektronok és lyukak) keletkeznek, amelyek áthaladnak rajta és a fotodióda kivezetésein feszültséget okoznak, vagy zárt körben áram folyik.

A fotodióda, anyagától függően, infravörös, optikai és ultraibolya hullámhosszú fényáram rögzítésére szolgál. A fotodiódák szilíciumból, germániumból, gallium-arzenidből, indium-gallium-arzenidből és más anyagokból készülnek.

A fotodiódákat széles körben használják vezérlőrendszerekben, metrológiában, robotikában és más területeken. Más alkatrészek részeként is használatosak, például optocsatolók, optorelék. Ami a mikrokontrollereket illeti, a fotodiódákat különféle érzékelőként használják - végérzékelők, fényérzékelők, távolságérzékelők, impulzusérzékelők stb.

Megnevezés a diagramokon

Az elektromos diagramokon a fotodiódát diódának nevezik, és két nyíl mutat feléje. A nyilak a fotodiódára eső sugárzást szimbolizálják. Ne tévessze össze a LED megjelölésével, amelyben a nyilak attól távolodnak.

A fotodióda betűjelölése lehet VD vagy BL (fotocella).

Fotodióda üzemmódok

A fotodióda két üzemmódban működik: fotodióda és fotovoltaikus (fotovoltaikus, generátor).

A fotodióda mód tápegységet használ, amely fordítottan előfeszíti a fotodiódát. Ebben az esetben a fotodiódán a rá eső fényárammal arányos fordított áram folyik át. Az üzemi feszültségtartományban (azaz a leállás előtt) ez az áram gyakorlatilag független az alkalmazott fordított feszültségtől.

Fotovoltaikus üzemmódban a fotodióda külső tápegység nélkül működik. Ebben az üzemmódban érzékelőként vagy akkumulátorként (napelemként) működhet, mivel fény hatására a fotodióda kimenetein feszültség jelenik meg, amely a sugárzási fluxustól és a terheléstől függ.

Volt-amper jellemzők

A fotodióda működési módjának jobb megértéséhez figyelembe kell venni az áram-feszültség jellemzőit.

A gráf 4 területből, az úgynevezett kvadránsokból áll. A fotodióda üzemmód a 3. kvadránsban történő működésnek felel meg.

Sugárzás hiányában a grafikon a hagyományos félvezető dióda áram-feszültség karakterisztikájának fordított ága. Van egy kis fordított áram, amelyet a fordított előfeszítésű p-n átmenet termikus (sötét) áramának neveznek.

Fényáram jelenlétében a fotodióda ellenállása csökken, és a fotodióda fordított árama nő. Minél több fény esik, annál több fordított áram folyik át a fotodiódán. A fotodióda fordított áramának a fényáramtól való függése ebben az üzemmódban lineáris.

A grafikonon látható, hogy a fotodióda fordított árama gyengén függ a fordított feszültségtől. Nézd meg a grafikon meredekségét a nulla feszültségtől a leállási feszültségig, kicsi.

A fotovoltaikus üzemmód a 4. kvadránsban lévő fotodióda működésének felel meg. Itt két szélsőséges eset van:

üresjárat (xx),
- rövidzárlat (zárlat).

Az üresjárathoz közeli üzemmód a fotodióda áramellátására szolgál. Vagyis fotodióda napelemként való használatához. Természetesen egy fotodióda kevés haszna lesz, és a hatásfoka is alacsony. De ha sok elemet csatlakoztat, akkor egy ilyen akkumulátor képes táplálni néhány alacsony fogyasztású eszközt.

Rövidzárlatos üzemmódban a fotodióda feszültsége közel nulla, a fordított áram pedig egyenesen arányos a fénykibocsátással. Ezt a módot fotoszenzorok építésére használják.

Mik a fotodióda és a fotovoltaikus üzemmód előnyei és hátrányai? A fotodióda mód gyorsabb fotodióda teljesítményt biztosít, de ebben az üzemmódban mindig van sötét áram. Fotovoltaikus üzemmódban nincs sötét áram, de az érzékelők sebessége kisebb lesz.