Fotodiyotlar: basit bir dilde ayrıntılı. Fotodiyotların temel özellikleri ve parametreleri Bir güç kaynağı olarak fotodiyot

Amaç: fotodiyot- ışığa duyarlı alanına düşen ışığı elektrik yüküne dönüştüren bir optik radyasyon alıcısı.

Çalışma prensibi: En basit fotodiyot p-n bağlantısında optik radyasyona maruz kalma olasılığını sağlayan geleneksel bir yarı iletken diyottur. Bant aralığından daha büyük bir enerjiye sahip fotonların absorpsiyonunun bir sonucu olarak, p-n birleşme düzlemine dik bir yönde radyasyona maruz kaldığında, n-bölgesinde elektron-delik çiftleri ortaya çıkar. Bu elektronlara ve deliklere denir. foto taşıyıcılar. Fototaşıyıcılar n bölgesinin derinliklerine yayıldığında, elektronların ve deliklerin ana fraksiyonunun yeniden birleştirmek için zamanı yoktur ve p-n bağlantı sınırına ulaşır. Burada foto taşıyıcılar p-n ekleminin elektrik alanı ile ayrılır ve delikler p bölgesine geçer, elektronlar ise geçiş alanının üstesinden gelemez ve p-n eklemi ile n bölgesi arasındaki arayüzde birikir. Bu nedenle, p-n bağlantısından geçen akım, azınlık taşıyıcıların - deliklerin sürüklenmesinden kaynaklanır. Foto taşıyıcıların sürüklenme akımına denir. fotoakım.

Fotodiyotlar iki moddan birinde çalışabilir - harici bir elektrik enerjisi kaynağı olmadan (foto jeneratör modu) veya harici bir elektrik enerjisi kaynağıyla (foto dönüştürücü modu).

Cihaz: bir fotodiyotun yapısal diyagramı. 1 - yarı iletken kristal; 2 - kişiler; 3 - sonuçlar; Ф - elektromanyetik radyasyon akışı; E - doğru akım kaynağı; RN - yük.

Seçenekler: duyarlılık (girişe tek bir optik sinyal uygulandığında fotodiyotun çıkışındaki elektrik durumundaki değişikliği yansıtır.); gürültü (faydalı sinyale ek olarak, fotodiyotun çıkışında rastgele bir genliğe sahip kaotik bir sinyal belirir ve spektrum- fotodiyot gürültüsü)

Özellikler: a) akım-voltaj karakteristiği fotodiyot, çıkış voltajının giriş akımına bağımlılığıdır. b) ışık özelliği foto akımın aydınlatmaya bağımlılığı, foto akımın aydınlatma üzerindeki doğru orantılılığına karşılık gelir. c) fotodiyotun spektral özelliği fotodiyot üzerine gelen ışığın dalga boyuna fotoakımın bağımlılığıdır.

Başvuru: a) optoelektronik entegre devreler.

b) çok elemanlı fotodedektörler.c) optokuplörler.

9. LED'ler. Amaç, cihaz, çalışma prensibi, temel parametreler ve özellikler.

Amaç: LEDİçinden ileri yönde akım geçtiğinde ışık yayan yarı iletken bir cihaz.

Çalışma prensibi: Çalışma, elektrik akımının p-n-kavşağından geçişi sırasında ışık radyasyonunun meydana geldiği fiziksel fenomene dayanmaktadır. Işımanın rengi (emisyon spektrumunun maksimum dalga boyu), p-n eklemini oluşturan kullanılan yarı iletken malzemelerin tipine göre belirlenir.

LED, elektrik enerjisini tutarsız ışık radyasyonunun enerjisine dönüştüren bir veya daha fazla n-p bağlantısına sahip yarı iletken yayan bir cihazdır. Radyasyon, n-p bağlantısına bitişik bölgelerden birinde enjekte edilen taşıyıcıların rekombinasyonunun bir sonucu olarak ortaya çıkar. Rekombinasyon, taşıyıcılar üst seviyelerden alt seviyelere hareket ettiğinde meydana gelir.

Özellikler ve parametreler: LED'lerin ana parametresi, dahili kuantum verimliliği (foton sayısının tabana enjekte edilen taşıyıcı sayısına oranı) ve harici verimliliktir (LED'den foton akısının yük taşıyıcı akısına oranı) içinde). Dış verimlilik büyük ölçüde teknoloji tarafından belirlenir ve seviyesinin büyümesiyle önemli ölçüde artırılabilir.

LED'lerin temel özellikleri akım-voltaj, parlaklık ve spektraldir. Işık yayan diyotların ana parametreleri dalga boyu, emisyon spektrumunun yarı genişliği, emisyon gücü, çalışma frekansı ve radyasyon modelidir.

LED'ler dijital göstergelerde, ışıklı göstergelerde ve optoelektronik cihazlarda yaygın olarak kullanılmaktadır. Prensip olarak, bazılarında renkli bir televizyon ekranı oluşturmak mümkündür.

Elektrik mühendisliğinde özel bir yer, çeşitli cihaz ve cihazlarda kullanılan fotodiyotlar tarafından işgal edilir. Bir fotodiyot, özelliklerinde basit bir diyota benzeyen yarı iletken bir elementtir. Ters akımı doğrudan üzerine düşen ışık akısının yoğunluğuna bağlıdır. Çoğu zaman, bir p-n bağlantılı yarı iletken elemanlar fotodiyot olarak kullanılır.

Cihaz ve çalışma prensibi

Fotodiyot birçok elektronik cihazın bir parçasıdır. Bu nedenle geniş bir popülerlik kazanmıştır. Sıradan bir LED, iletkenliği üzerine düşen ışığa bağlı olan p-n bağlantılı bir diyottur. Karanlıkta, fotodiyot geleneksel bir diyotun özelliklerine sahiptir.

1 - yarı iletken bağlantı.
2 - pozitif kutup.
3 - ışığa duyarlı katman.
4 - negatif kutup.

Geçiş düzleminde bir ışık akısının etkisi altında, fotonlar sınır değeri aşan bir enerji ile emilir, bu nedenle n-bölgesinde yük taşıyıcı çiftleri - foto taşıyıcılar - oluşur.

Foto taşıyıcıları "n" bölgesinin derinliğinde karıştırırken, taşıyıcıların ana kısmının yeniden birleştirmek için zamanı yoktur ve p-n sınırına geçer. Geçişte, foto taşıyıcılar bir elektrik alanı ile ayrılır. Bu durumda delikler “p” bölgesine geçer ve elektronlar geçişten geçemezler, bu nedenle “n” bölgesinin yanı sıra p-n geçişinin sınırına yakın bir yerde toplanırlar.

Diyotun ters akımı ışığa maruz kaldığında artar. Ters akımın arttığı değere fotoakım denir.

Delik şeklindeki foto taşıyıcılar, "n" bölgesine göre "p" bölgesinin pozitif yükünü taşır. Buna karşılık, elektronlar "p" bölgesine göre "n" bölgesinde negatif bir yük üretir. Ortaya çıkan potansiyel fark, fotoelektromotor kuvvet olarak adlandırılır ve "E f" ile gösterilir. Fotodiyotta oluşan elektrik akımı terstir ve katottan anoda doğru yönlendirilir. Ayrıca, değeri aydınlatma miktarına bağlıdır.

Çalışma modları

Fotodiyotlar aşağıdaki modlarda çalışabilir:

• Fotojeneratör modu. Elektrik bağlantısı yok.
• Fotoğraf dönüştürücü modu. Harici güç kaynağı bağlantısı ile.

İşte fotojeneratör güneş ışığını elektrik enerjisine çeviren bir güç kaynağı yerine fotodiyotlar kullanılmaktadır. Bu tür foto jeneratörlere güneş pilleri denir. Bunlar, uzay gemileri de dahil olmak üzere çeşitli cihazlarda kullanılan güneş panellerinin ana parçalarıdır.

Silikon bazlı güneş pillerinin verimi %20'dir, film piller için bu parametre çok daha yüksektir. Güneş pillerinin önemli bir özelliği, çıkış gücünün hassas katmanın ağırlığına ve alanına bağımlılığıdır. Bu özellikler 200 W/kg ve 1 kW/m 2 değerlerine ulaşır.

Fotodiyot olarak işlev gördüğünde foto dönüştürücü , gerilim kaynağı devreye ters polarite ile bağlanır. Bu durumda, farklı aydınlatma koşulları için akım-voltaj karakteristiğinin ters grafikleri kullanılır.

R n yükündeki voltaj ve akım, grafikte fotodiyot ve rezistör R n'ye karşılık gelen yük hattının özelliklerinin kesişimi ile belirlenir. Karanlıkta, fotodiyot, eyleminde geleneksel bir diyota eşdeğerdir. Karanlık moddaki akım, silikon diyotlar için 1 ila 3 mikroamper arasında, germanyum diyotlar için ise 10 ila 30 mikroamper arasındadır.

Fotodiyot türleri

Kendi avantajlarına sahip birkaç farklı fotodiyot türü vardır.

p – i – nfotodiyot

p-n bölgesinde, bu diyot yüksek dirençli ve içsel iletkenliğe sahip bir bölüme sahiptir. Işığa maruz kaldığında, bir çift delik ve elektron belirir. Bu bölgedeki elektrik alan sabit bir değere sahiptir, uzay yükü yoktur.

Bu yardımcı katman, bariyer katmanının kapasitansını önemli ölçüde azaltır ve voltajdan bağımsızdır. Bu, diyotların çalışma frekans bandını genişletir. Sonuç olarak, hız keskin bir şekilde yükselir ve frekans 10 10 hertz'e ulaşır. Bu katmanın artan direnci, aydınlatma olmadığında çalışma akımını önemli ölçüde azaltır. Işık akısının p-tabakaya nüfuz edebilmesi için kalın olmaması gerekir.

çığ fotodiyotları

Bu tip diyot, fotoelektrik etkiyi kullanarak ışığı bir elektrik akımı sinyaline dönüştüren oldukça hassas bir yarı iletkendir. Başka bir deyişle, bunlar çığ çarpma etkisinden dolayı sinyali yükselten fotodedektörlerdir.

1 - ohmik kontaklar 2 - yansıtıcı olmayan kaplama

Çığ fotodiyotları diğer fotodedektörlere göre daha hassastır. Bu, onları düşük ışık güçleri için kullanmayı mümkün kılar.

Çığ fotodiyotlarının tasarımında süper örgüler kullanılır. Özleri, taşıyıcıların darbe iyonizasyonundaki önemli farklılıkların gürültüde bir düşüşe yol açmasıdır.

Benzer yapıları kullanmanın bir başka avantajı da çığ ıslahının lokalizasyonudur. Ayrıca müdahaleyi azaltır. Süper kafeste, katmanların kalınlığı 100 ila 500 angstrom arasındadır.

Çalışma prensibi

Çığ kırılma değerine yakın bir ters voltajda, yük taşıyıcıların darbe iyonizasyonu nedeniyle fotoakım keskin bir şekilde artar. Eylem, elektronun enerjisinin dış alandan yükselmesi ve maddenin iyonlaşma sınırını aşabilmesidir, bunun sonucunda bu elektronun değerlik bandından bir elektronla buluşması yeni bir çiftin ortaya çıkmasına yol açacaktır. elektron ve delik. Bu çiftin yük taşıyıcıları alan tarafından hızlandırılacak ve yeni yük taşıyıcılarının oluşumuna katkıda bulunabilir.

özellikleri

Bu tür ışık diyotlarının özellikleri bazı bağımlılıklarla tanımlanabilir.

Volt-amper

Bu özellik, sabit bir ışık akısındaki akım gücünün gerilime bağımlılığıdır.

ben- akım M- çoğaltma faktörü sen- Gerilim

aydınlık

Bu özellik, diyot akımının aydınlatmaya bağımlılığıdır. Işık akısı arttıkça fotoakım artar.

Spektral

Bu özellik, diyot akımının ışığın dalga boyuna bağımlılığıdır ve sınır bölgesinin genişliğidir.

Zaman sabiti

Bu, ışık uygulandıktan sonra diyotun foto akımının sabit durum değerine kıyasla değişmesi için geçen süredir.

karanlık direnç

Bu, diyotun karanlıktaki direnç değeridir.

eylemsizlik

Bu özelliği etkileyen faktörler:

• Dengesiz yük taşıyıcılarının difüzyon süresi.
• p-n geçişi boyunca geçiş süresi.
• p-n bağlantı bariyerinin kapasitansını yeniden doldurma süresi.

Uygulama kapsamı

Fotodiyotlar, birçok optoelektronik cihazın ana unsurlarıdır.

Entegre devreler (optoelektronik)

Bir fotodiyot önemli bir çalışma hızına sahip olabilir, ancak mevcut amplifikasyon faktörü birden fazla değildir. Optik bağlantı nedeniyle, mikro devrelerin önemli avantajları vardır: kontrol devrelerinin güçlü güç devrelerinden ideal galvanik izolasyonu. Aynı zamanda, aralarında işlevsel bir ilişki korunur.

Birden çok elemanlı fotodedektörler

Fotodiyot matrisi, tarayıcı şeklindeki bu cihazlar, yeni aşamalı elektronik cihazlardır. Fotodiyotlu optoelektronik gözleri, nesnelerin uzaysal ve parlaklık özelliklerine bir yanıt oluşturabilir. Başka bir deyişle, görsel imajının tamamını görebilir.

Işığa duyarlı hücre sayısı çok fazladır. Bu nedenle hız ve hassasiyet konularına ek olarak bilgilerin de okunması gerekmektedir. Çoklu fotosellere sahip tüm fotodedektörler tarama sistemleridir, yani çalışılan alanı sıralı eleman-eleman görüntüleme ile analiz etmenizi sağlayan cihazlardır.

Fotodiyotlar ayrıca fiber optik hatlarda ve lazer telemetrelerde yaygın olarak kullanılmaktadır. Son zamanlarda, bu tür ışık diyotları pozitron emisyon tomografisinde kullanılmıştır.

Şu anda çığ fotodiyotlarından oluşan ışığa duyarlı matris örnekleri bulunmaktadır. Etkililikleri ve kapsamları çeşitli faktörlere bağlıdır.

En etkili faktörler şunlardı:

• Işığın yokluğunda gürültü ve akımın eklenmesinden kaynaklanan toplam kaçak akım.
• Akım ve yük taşıyıcılarının ortaya çıkmasına yol açan olay kuantasının oranını belirleyen kuantum verimliliği.

Laboratuvar #16

fotodiyot çalışması

Hedef: Yarı iletken fotodiyotların çalışma prensibi, cihazı, özellikleri ve uygulaması hakkında bilgi edinin.

Aletler ve aksesuarlar: germanyum fotodiyot FD-7G, diyotların akım-voltaj özelliklerini ölçmek için stand, aydınlatıcılı optik tezgah, güç kaynağı, osiloskop.

Teorik Giriş

fotodiyotışığa duyarlı ve ışık akısını (optik radyasyon) bir elektrik sinyaline dönüştürmek için tasarlanmış yarı iletken diyot olarak adlandırılır.

Çalışma prensibinde güneş enerjisinin foto dönüştürücüsünden farklı olmayan fotodiyotların, amaçlarına göre belirlenen kendi tasarım özellikleri ve özellikleri vardır.

Fotodiyotlar, görünür ve kızılötesi radyasyon kullanan ekipmanın ve çeşitli cihazların bir parçası olarak optik radyasyon (genellikle görünür ve kızılötesi) alıcıları ve sensörleri olarak kullanılmak üzere tasarlanmıştır.

Fotodiyotların çalışması, ışığın etkisi altında yarı iletkende ek (dengesiz) elektronların ve deliklerin ortaya çıktığı ve bir foto akım veya fotovoltaj oluşturduğu iç fotoelektrik etki olgusuna dayanır.

1. Fotodiyotların p-n eklemli çalışma prensibi. Fotodiyotlarda, ışığa duyarlı eleman, elektronik ve delik iletkenliği olan bölgeler arasında yer alan geçiş bölgesi - p-n-bağlantısıdır (Şekil 1).

Bir p-n bağlantısının oluşumu. Bir n-tipi yarı iletken, hemen hemen tamamı oda sıcaklığında iyonize olan belirli bir miktarda safsızlık verici-tipi atom içerir. Bu nedenle, böyle bir yarı iletkende serbest elektron yoktur ve donör safsızlığının aynı sayıda hareketsiz pozitif yüklü iyonu vardır.

Bir delik yarı iletkeninde (p tipi yarı iletken) benzer bir durum meydana gelir. Serbest delikler ve aynı sayıda negatif yüklü alıcı atom iyonları hakkında p'ye sahiptir. Bir p-n bağlantısının oluşum ilkesi, Şek. bir.

Elektronların ve deliklerin bir konsantrasyon gradyanının varlığı nedeniyle, p ve n bölgeleri içlerinde temas ettiğinde, n-tipi yarı iletkenden p-tipi yarı iletkene bir elektron difüzyon akışı ortaya çıkar ve bunun tersine, bir p-yarıiletkenden n-yarıiletkene delik akışı. n-bölgesinden p-bölgesine geçen elektronlar, arayüze yakın deliklerle yeniden birleşir. Delikler benzer şekilde yeniden birleşir ve p-bölgesinden n-bölgesine hareket eder. Sonuç olarak, p-n bağlantısının yakınında pratik olarak hiç serbest yük taşıyıcıları (elektronlar ve delikler) yoktur.

Böylece, p-n bağlantısının her iki tarafında, güçlü bir elektrik alanı oluşturan hareketsiz safsızlık iyonları (diğer isimler - bir tükenme katmanı veya bir boşluk yükü bölgesi (SCR), bir bloke edici katman) tarafından oluşturulan çift yüklü bir katman oluşur. Bloke edici tabakanın elektrik alanı, n-bölgesinden p-bölgesine yönlendirilir ve ana yük taşıyıcılarının pn bağlantısından uzak bölgelerden tükenmiş bölgeye difüzyon sürecine karşı koyar. Böyle bir durum dengedir ve dış karışıklıkların yokluğunda keyfi olarak uzun bir süre var olabilir.

Pirinç. 1 – p-n-kavşağının oluşumu Şek. 2

Fotodiyot nasıl çalışır. Bir p-n eklemli yarı iletken yapıda emilen optik radyasyon (ışık), foton enerjisinin hν yarı iletkenin bant aralığını aşması koşuluyla serbest elektron-delik çiftleri oluşturur.

Serbest elektronlar ve delikler hem p- ve n-bağlantı bölgelerinde hem de bloke edici tabakanın hemen yakınında ortaya çıkar. Engelleme katmanında (p-n bağlantısının alanı) bulunan elektrik alanı, ışık tarafından oluşturulan serbest yük taşıyıcılarını, işaretlerine bağlı olarak, fotodiyotun farklı bölümlerine ayırır: serbest elektronlar, bağlantının n-bölgesine doğru hareket eder ve delikler p-bölgesine doğru hareket eder ve bu da bu alanların yüklenmesine yol açar (Şekil 2).

Yandığında, p-bölgesinde delikler birikir ve onu pozitif olarak şarj eder. Elektronlar n-bölgesinde birikir ve onu negatif olarak yükler. Bu nedenle, aralarında potansiyel bir fark vardır.

Bu durumda, cihazın iki çalışma modu mümkündür: harici bir güç kaynağına sahip ve onsuz devrelerde. Bir fotodiyotun harici bir güç kaynağı ile çalışma moduna fotodiyot denir ve harici bir güç kaynağı olmadan buna fotovoltaj üretim modu denir (başka bir isim fotovoltaik moddur).

Nesil modu. Bu durumda bağlantıya harici voltaj uygulanmaz ve devre açıktır. Aydınlatma, n-bölgesinde fotoelektronların ve p-bölgesinde deliklerin birikmesine yol açar. Sonuç olarak, potansiyel bir fark U f oluşur (genellikle "gerilim" olarak adlandırılır)

Pirinç. 3 Şekil 4 - Fotodiyotun volt-amper özellikleri

farklı ışık akılarında (Ф 1< Ф 2 < Ф 3).

rölantide U xx "), yani bir foto-emf belirir. Fazla elektronların ve deliklerin birikimi sınırsız değildir. Delik bölgesindeki deliklerin ve elektronik bölgedeki elektronların konsantrasyonunun artmasıyla eş zamanlı olarak, geçişin potansiyel bariyeri fotovoltajın değeri kadar azalır ve çoğu yük taşıyıcının p-n bağlantısı yoluyla difüzyonu meydana gelir. Dinamik bir denge var.

Yük fotodiyodu R n'nin harici terminallerine bağlandığında, devresinde bir akım görünecektir (Şekil 3). Dış devrede fotoakım p bölgesinden n bölgesine yönlendirilir. Bu koşullar altında, fotodiyot, radyasyon enerjisinin elektrik enerjisine dönüştürücüsü olarak çalışır.

Aydınlatılmış p-n-bağlantısının volt-amper karakteristiği. Aydınlatma altındaki pn bağlantısının akım-voltaj karakteristiği aşağıdaki biçimde yazılabilir:

, (1)

nerede ben n - karanlıkta doyma akımı; f - fotoakım, yani ışıkla uyarılan ve pn bağlantısından geçen yük taşıyıcıları tarafından oluşturulan akım; U, bağlantıdaki harici voltajdır.

Şek. Şekil 4, çeşitli ışık akıları F için akım-voltaj bağımlılıklarının grafiklerini göstermektedir. Aydınlatmanın yokluğunda (I f = 0), akım-voltaj (karanlık) karakteristiği orijinden geçer. Belirli ışık akılarına karşılık gelen kalan eğriler, ordinat ekseni (mevcut eksen) boyunca fotoakımın gücüne eşit parçalara kaydırılır - I f. (1) numaralı ifadeden, ters içerme ile (U< 0) и при

(qU >> kT) I \u003d - (I n + I f) geçişi boyunca akım.

Üçüncü çeyrekte yer alan eğrilerin bölümleri fotodiyot çalışma moduna karşılık gelir): dördüncü çeyrekte yer alan eğrilerin bölümleri fotovoltaj üretim moduna karşılık gelir.

Harici devrede akım gücü I \u003d 0 ise (devre açık), o zaman (1) ifadesinden U f açık devre voltajını bulabilirsiniz.

(2)

Üretim modundaki fotodiyot düşük dirençli bir harici devreye bağlanırsa, n-bölgesindeki fotoelektronlar birikmez ve U f = 0. Ve harici voltaj olmadığından I = - I f akımı içeri akar. genellikle kısa devre akımı olarak adlandırılan ve ışık akısı I f ~ F ile doğru orantılı olan devre.

Pirinç. 5 - Fotodiyot ve devrenin yapısal şeması

fotodiyot modunda çalışırken açılması: Şekil.6

1 - yarı iletken kristal; 2 - kişiler;

3 - sonuçlar; Ф - elektromanyetik akı

radyasyon; n ve p yarı iletken bölgelerdir;

E - doğru akım kaynağı; R n - yük.

fotodiyot modu. Bu modda, p-n bağlantısına bir ters voltaj uygulanır.

(p-bölgesi voltaj kaynağının eksi noktasına ve n-bölgesi kaynağın artısına bağlanır; Şekil 5). Devre ayrıca bir yük direnci (direnç) R n içerir. Bu durumda, geçiş büyük bir dirence sahiptir ve içinden zayıf bir ters akım akar (karanlıkta doyma akımı I n). Fotodiyot aydınlatıldığında, içinden geçen akım, bir foto akımın ortaya çıkması nedeniyle keskin bir şekilde artar ve karanlık akımı I n önemli ölçüde aşabilir (Şekil 4). Buna göre, yük direnci Rn boyunca voltaj düşüşü de değişir. Doğru voltaj kaynağı seçimi ve harici direnç R n ile, elektrik sinyalinin büyüklüğü (direnç boyunca voltaj) büyük olabilir ve bu nedenle fotodiyotlar, ışık sinyallerini kaydetmek ve ölçmek için yaygın olarak kullanılır.

Fotodiyottan geçen akım esas olarak aydınlatma sırasında meydana gelen küçük dengesiz yük taşıyıcılarının (p-bölgesindeki elektronlar ve n-bölgesindeki delikler) akıları tarafından belirlenir ve voltaja bağlı değildir, yani, karaktere sahiptir. doygunluk akımı. Bu nedenle, fotodiyot modunda, çok yüksek aydınlatma değerlerine kadar foto akımın aydınlatmaya katı bir doğrusal bağımlılığı gözlenir. Bu, fotodiyotların önemli bir avantajıdır.

Değişken optik sinyalleri (ışık akıları) kaydetmek için, Şek. 6. Fotodiyot üzerindeki değişen ışık akısı olayı, devrede ışık yoğunluğundaki değişiklikleri tekrarlayan bir alternatif akım bileşenine neden olur. Ve direnç R n üzerinde, kayıt sisteminin girişine beslenen aynı voltaj değişiklikleri meydana gelir. Direnç boyunca gerilimin sabit bileşenini ayırmak (atlamamak) için, sinyal devresinde bir ayırma kapasitörü C bulunur.

2. Üretim teknolojisi ve tasarımı. Fotodiyot üretiminde pn bağlantılarının üretimi için safsızlık füzyon yöntemi ve difüzyon kullanılır. Bu durumda, p-n bağlantısının derinliğine göre ana dikkat ödenir.

Şekil 7 - Sardunya yapımı Şekil 8 - Spektral özellikler

fotodiyot FD-1. germanyum (1) ve silikon fotodiyotlar (2).

fotodiyotun ataletini (hızını) belirlediği için aydınlatılmış kristal yüzey. Şekil 7, metal bir kasa içinde germanyum fotodiyot FD-1'in tasarımını göstermektedir. n-tipi elektriksel iletkenliğe sahip tek bir germanyum kristalinden kesilen yuvarlak plaka 1, bir kovar durumunda bir kristal tutucu 2 yardımıyla sabitlenir. bir diğer elektrot, fotodiyot kasasının kendisidir, çünkü germanyum kristali kristal tutucuya bir kalay halka 8 ile lehimlenmiştir. Fotodiyot kasası, camla kapatılmış yuvarlak bir deliğe sahiptir. Germanyum plakasının sınırlı yüzeyinde ışık akısını toplayan mercek 9. p-n-bağlantısını çevresel etkilerden korumak için fotodiyot gövdesi kapatılmıştır.

Bazı fotodiyot türleri plastik bir muhafazaya sahiptir. Böyle bir mahfazanın ve bir metal mahfaza içindeki bir pencerenin malzemesi, spektrumun (radyasyon) bu fotodiyotun duyarlı olması gereken kısmı için şeffaf olacak şekilde seçilir. Yani, germanyum cihazları için bu, görünür ışık ve kısa dalga kızılötesi radyasyondur.

Malzemeler fotodiyotların yapıldığı Ge, Si, GaAs, HgCdTe ve diğer yarı iletken bileşiklerdir.

Fotodiyotların ana özellikleri ve parametreleri

- Hassasiyet S - fotodiyot yandığında çıkışındaki elektrik sinyalindeki (akım veya voltaj) değişikliği yansıtan parametre.

Fotodiyotun çıkışında alınan elektriksel karakteristikteki (akım gücü I f veya voltaj U f) değişimin cihazdaki radyasyon akısına Ф oranı ile nicel olarak ölçülür.

S Ben \u003d ben f / F- akım hassasiyeti, S v \u003d U f / F- voltaj hassasiyeti.

- Hassasiyet eşiği F p- çalışma frekans bandının birimine atıfta bulunulan, fotodiyot tarafından kaydedilen minimum ışık akısının değeri.

- Zaman sabiti τ, cihazın ataletini, yani hızını karakterize eder.

Bu, fotodiyotun ışık akımının, sabit değere göre e kez ışıklandırıldıktan veya fotodiyotun karartılmasından sonra değiştiği zamandır.

p-n-bağlantılı fotodiyotlar için 10 -6 - 10 -8 s'dir.

- Karanlık direnç R T aydınlatma yokluğunda fotodiyotun direncidir.

- spektral karakteristik fotodiyot üzerine gelen ışığın dalga boyuna λ foto akımın bağımlılığıdır. Germanyum ve silikon fotodiyotlar için spektral özellikler Şekil 8'de gösterilmektedir. Silikon fotodiyotlar için maksimum duyarlılığı oluşturan dalga boyu yaklaşık olarak λmax = 800 - 900 nm'ye eşittir, germanyum fotodiyotlar için ise λmax = 1500 - 1600 nm'dir.

- Volt-amper özellikleri- sabit bir ışık akısında ışık akımının voltaja bağımlılığı.

- Işık özelliği - Fotoakımın aydınlatmaya bağımlılığı.

Diğer bazı parametreler tabloda gösterilmiştir.

Fotodiyotların geleneksel grafik gösterimi Şekil 9'da gösterilmektedir, bazı fotodiyotların fotoğrafları Şekil 10'da gösterilmektedir.

Pirinç. 9 Şekil 10

4. Fotodiyotların uygulanması. Modern fotodiyotlar, ana parametrelerin en iyi kombinasyonuna sahiptir:

1. Optik sinyallere karşı yüksek hassasiyet;

2. Yüksek performans;

3. Düşük çalışma voltajı;

4. Geniş bir aydınlatma aralığında fotoakımın aydınlatmaya doğrusal bağımlılığı.

5. Düşük gürültü;

6. Cihazın sadeliği.

Bu nedenle otomasyon cihazlarında, bilgisayar ve lazer teknolojisinde, fiber optik iletişim hatlarında yaygın olarak kullanılmaktadırlar.

Günlük hayatta fotodiyotlar CD-ROM sürücüleri, modern kameralar ve çeşitli dokunmatik cihazlar gibi cihazlarda kullanılmaktadır.

Örneğin kızılötesi fotodiyotlar uzaktan kumanda, güvenlik, güvenlik ve otomasyon sistemlerinde kullanılmaktadır.

İyonlaştırıcı radyasyonu ve yüksek enerjili parçacıkları tespit etmek için kullanılan X-ışını fotodiyotları vardır. Önemli bir uygulama, CT tarayıcıları gibi tıbbi cihazlardadır.

İşin tamamlanması

1. Egzersiz. Aydınlatma yokluğunda (karanlıkta) bir fotodiyotun akım-voltaj karakteristiğinin ölçümü.

Işık kuantumları p-n bağlantısında veya ona bitişik alanlarda emildiğinde, içinden geçerek fotodiyot terminallerinde bir voltajın görünmesine veya bir akımın kapalı bir akımda akmasına neden olan yeni yük taşıyıcıları (elektronlar ve delikler) üretilir. devre. Bağlantıdan geçen ters akımın arttığı miktara fotoakım denir.

Optik kızılötesi ve ultraviyole aralıklarında ışık akısını kaydetmek için yapıldığı malzemeye bağlı olarak bir fotodiyot kullanılır. Bu radyo bileşenleri genellikle germanyum, silikon, galyum arsenit, indiyum ve benzerlerinden yapılır.

Fotodiyot modu, yarı iletken cihazı ters öngerilim için harici bir güç kaynağı kullanır. Bu durumda, üzerine gelen ışık akısı ile orantılı olarak ters bir akım geçer. Çalışma voltajı aralığında (yani arıza meydana gelmeden önce), bu akım uygulanan ters voltajdan pratik olarak bağımsızdır.

Fotovoltaik modda, fotodiyot bir sensör veya düşük akımlı bir pil görevi görür, çünkü ışık akısının etkisi altında, radyasyon akısına ve yüke bağlı olarak fotoselin terminallerinde bir voltaj üretilir.

Bu bileşenin çalışma modlarını daha iyi anlamak için akım-voltaj karakteristiğini göz önünde bulundurun.

Işık emisyonunun yokluğunda, grafik tipik bir diyotun I–V karakteristiğinin ters dalıdır. Ters taraflı karanlık akım adı verilen küçük bir dönüş akımı vardır.

Radyasyon varlığında fotodiyotun direnci azalır ve ters akım artar. Fotosele ne kadar fazla ışık akısı düşerse, fotodiyottan o kadar fazla ters akım geçer. Bu moddaki bağımlılık doğrusaldır. CVC'den görebildiğimiz gibi, fotodiyotun ters akımı pratik olarak ters voltajdan bağımsızdır.

Fotovoltaik mod, grafiğin dördüncü çeyreğinde çalışmaya karşılık gelir. Ve burada iki sınırlayıcı seçeneği ayırt edebiliriz: boşta ve kısa devre.

Verimliliği düşük olmasına rağmen fotodiyottan enerji elde etmek için rölantiye yakın mod kullanılır. Ancak, bu tür birçok bileşeni seri ve paralel olarak bağlarsanız, ortaya çıkan böyle bir pil, düşük güç devresine güç sağlayabilir.

Kısa devre modunda, fotosel üzerindeki voltaj sıfır olma eğilimindedir ve ters akım ışık akısıyla doğru orantılıdır. Bu mod, fotoğraf sensörleri oluşturmak için kullanılır.

fotodiyot özellikleri

Yukarıda tartışılan CVC'ye ek olarak, fotoselin bir dizi temel parametresi vardır.

Fotodiyot ışık karakteristiği, aydınlatma üzerinde üretilen fotoakım ile doğru orantılı olan, foto akımın aydınlatmaya bağımlılığı. Bu, fotodiyotun tabanının kalınlığının, azınlık yük taşıyıcılarının difüzyon uzunluğundan çok daha az olması gerçeğiyle açıklanır. Yani, tabanda görünen hemen hemen tüm azınlık yük taşıyıcıları, bir foto akımın oluşumuna katılır.

spektral karakteristik fotodiyot, fotosele etki eden ışık akısının dalga boyuna foto akımın bağımlılığıdır.

zaman sabiti- bu süre zarfında, fotoselin foto akımı, sabit değere göre fotodiyotun aydınlatılmasından veya karartılmasından sonra değişir.

karanlık direnç- aydınlatma olmadığında radyo bileşeninin direnci.

Fotodiyot, akımı aydınlatmaya bağlı olan yarı iletken bir diyottur. Genellikle bu akım, fotodiyotun ters akımı anlamına gelir, çünkü aydınlatmaya olan bağımlılığı, doğru akımdan daha güçlü büyüklük sıralarıyla ifade edilir. Gelecekte, ters akım hakkında konuşacağız.

Genel olarak, bir fotodiyot, ışık radyasyonuna açık bir p-n bağlantısıdır. Işığın etkisi altında, içinden geçen ve fotodiyotun terminallerinde voltaj veya kapalı bir devrede akım akışına neden olan p-n bağlantısı bölgesinde yük taşıyıcıları (elektronlar ve delikler) üretilir.

Fotodiyot, malzemesine bağlı olarak, kızılötesi, optik ve ultraviyole dalga boylarında ışık akısını kaydetmek için tasarlanmıştır. Fotodiyotlar silikon, germanyum, galyum arsenit, indiyum galyum arsenit ve diğer malzemelerden yapılır.

Fotodiyotlar kontrol sistemleri, metroloji, robotik ve diğer alanlarda yaygın olarak kullanılmaktadır. Ayrıca optokuplörler, opto röleler gibi diğer bileşenlerin bir parçası olarak da kullanılırlar. Mikrodenetleyicilerle ilgili olarak, fotodiyotlar çeşitli sensörler olarak kullanılır - uç sensörleri, ışık sensörleri, mesafe sensörleri, darbe sensörleri vb.

Şemalarda atama

Elektrik şemalarında, bir fotodiyot, kendisine doğru iki ok bulunan bir diyot olarak adlandırılır. Oklar, fotodiyot üzerindeki radyasyon olayını sembolize eder. Okların ondan uzağa yönlendirildiği LED'in tanımıyla karıştırmayın.

Fotodiyotun harf tanımı VD veya BL (fotosel) olabilir.

Fotodiyot çalışma modları

Fotodiyot iki modda çalışır: fotodiyot ve fotovoltaik (fotovoltaik, jeneratör).

Fotodiyot modu, fotodiyodu tersine çeviren bir güç kaynağı kullanır. Bu durumda fotodiyottan, üzerine gelen ışık akısı ile orantılı olarak ters bir akım akar. Çalışma voltajı aralığında (yani arıza meydana gelmeden önce), bu akım uygulanan ters voltajdan pratik olarak bağımsızdır.

Fotovoltaik modda, fotodiyot harici bir güç kaynağı olmadan çalışır. Bu modda, sensörler veya pil (güneş pili) olarak çalışabilir, çünkü ışığın etkisi altında, fotodiyotun çıkışlarında radyasyon akışına ve yüke bağlı olarak bir voltaj belirir.

Volt-amper özellikleri

Fotodiyotun çalışma modlarını daha iyi anlamak için akım-voltaj karakteristiğini göz önünde bulundurmanız gerekir.

Grafik, kadran adı verilen 4 alandan oluşur. Fotodiyot modu, 3. kadranda çalışmaya karşılık gelir.

Radyasyonun yokluğunda, grafik, geleneksel bir yarı iletken diyotun akım-voltaj karakteristiğinin ters dalıdır. Ters taraflı p-n bağlantısının termal (karanlık) akımı olarak adlandırılan küçük bir ters akım vardır.

Bir ışık akısının varlığında fotodiyotun direnci azalır ve fotodiyotun ters akımı artar. Işık ne kadar çok düşerse, fotodiyottan o kadar fazla ters akım geçer. Bu modda fotodiyot ters akımının ışık akısına bağımlılığı doğrusaldır.

Fotodiyotun ters akımının zayıf bir şekilde ters voltaja bağlı olduğu grafikten görülebilir. Grafiğin sıfır voltajdan arıza voltajına eğimine bakın, küçük.

Fotovoltaik mod, fotodiyotun 4. kadrandaki çalışmasına karşılık gelir. Burada iki aşırı durum var:

boşta (xx),
- kısa devre (kısa devre).

Boşta yakın mod, fotodiyottan güç elde etmek için kullanılır. Yani, bir fotodiyotun güneş pili olarak kullanılması için. Tabii ki, bir fotodiyot çok az kullanışlı olacaktır ve verimliliği düşüktür. Ancak birçok öğeyi bağlarsanız, böyle bir pil bazı düşük güçlü cihazlara güç sağlayabilir.

Kısa devre modunda, fotodiyot voltajı sıfıra yakındır ve ters akım, ışık çıkışı ile doğru orantılıdır. Bu mod, fotosensörler oluşturmak için kullanılır.

Fotodiyot ve fotovoltaik çalışma modlarının avantajları ve dezavantajları nelerdir? Fotodiyot modu daha hızlı fotodiyot performansı sağlar ancak bu modda her zaman karanlık akım vardır. Fotovoltaik modda karanlık akım yoktur, ancak sensörlerin hızı daha yavaş olacaktır.