Лекция
Привет, Вы узнаете о том , что такое фотодиод, Разберем основные их виды и особенности использования. Еще будет много подробных примеров и описаний. Для того чтобы лучше понимать что такое фотодиод, гетерофотодиод , настоятельно рекомендую прочитать все из категории Электроника, Микроэлектроника , Элементная база.
фотодиод - это фоточувствительный полупроводниковый диод с р-n переходом (между двумя типами полупроводника или между полупроводником и металлом).
Под действием света, падающего на p-n переход, в последнем образуются электронно-дырочные пары. Неосновные носители, т.е. дырки в n- области и электроны в p- области, диффундируют в область p-n перехода, втягиваются его полем и выбрасываются в область, расположенную за переходом, образуя в ней объемный заряд. По мере перехода не основных носителей из одной области в другую происходит их накопление в одной части рассматриваемой системы, в то время как в другой ее части накапливаются основные носители тока. Это накопление не может продолжаться беспредельно, т.к. одновременно с возрастанием концентрации дырок в p- области и электронов в n- области возрастает создаваемое ими электрическое поле, препятствующее переходу не основных носителей через запирающий слой из одной области в другую. По мере возрастания этого поля возрастает и обратный поток носителей. В конце концов, наступает динамическое равновесие, при котором число не основных носителей, перемещающихся за единицу времени через запирающий слой, равно числу тех же носителей перемещающихся в обратном направлении. При этом, между электродами устанавливается некоторая разность потенциалов Е, это фото ЭДС. При подключении к выводам фотодиода нагрузки в ее цепи появляется ток, величина которого определяется разностью встречных потоков носителей через p-n переход.
Структура перехода фотодиода показана на Рис.1.а, а семейство вольт-амперных характеристик на Рис.1.б.
Фотодиоды используют в фотодиодном и фотогальваническом режимах. В первом диод смещается в обратном направлении, и фототок является функцией светового потока. Во втором режиме прибор работает в режиме генерации фото ЭДС. По сравнению с фотогальваническим, фотодиодный режим обладает рядом достоинств: пониженной инерционностью, повышенной чувствительностью к длинноволновой части оптического спектра, широким динамическим диапазоном линейности характеристик. Основной недостаток этого режима - наличие шумового тока, обусловленного флуктуациями ( потока носителей заряда через p-n переход, протекающего через нагрузку.
Рис. 1
В ряде случаев при необходимости обеспечения низкого уровня шума фотоприемника фотогальванический режим может оказаться более выгодным, чем фотодиодный.
Вольт-амперные характеристики фотодиода в квадранте I (см. Рис.1.б) соответствуют включению в прямом направлении. Квадрант IV соответствует случаю работы диода в фотогальваническом режиме т.е. фотодиод работает как солнечный преобразователь, ток и напряжение при этом зависят от силы светового потока. Для выделения на нагрузке максимальной мощности берется сопротивление нагрузки равное внутреннему сопротивлению фотодиода. По оси напряжения можно определить фото ЭДС при различной интенсивности принимаемого светового потока Ф и нулевом сопротивлении нагрузки, а по оси тока - фототок при различных значениях Ф и нулевом сопротивлении нагрузки. Характеристики в квадранте III соответствуют включению прибора в фотодиодном режиме. Напряжение UПР - напряжение электрического пробоя фотодиода. Напряжение UР - рабочее - указывают в паспорте.
Вольт-амперную характеристику при отсутствии облучения называют темновой при этом вольт-амперная характеристика фотодиода проходит через 0 и совпадает с характеристикой обычного диода. Значение темнового тока IТ при заданной температуре окружающей среды и рабочем напряжении указывают в паспорте прибора. Параметры кремниевых и германиевых фотодиодов заметно зависят от температуры окружающей среды. С повышением ее на каждые 10° темновой ток германиевых приборов увеличивается в 2, а кремниевых в 2,5 раза. При этом чувствительность и обнаружительная способность уменьшаются, уровень собственных шумов увеличивается, а максимум спектральной характеристики сдвигается в сторону более коротких волн. Понижение температуры приводит к противоположным изменениям.
принци работы фотодиода
обозначение на схемах
Структурная схема фотодиода.
Φ — поток электромагнитного излучения; Е — источник постоянного тока; RH — нагрузка.
внешний вид фотодиодов
эквивалентная схема фотодиода
В p-i-n-структуре средняя i-область заключена между двумя областями противоположной проводимости. При достаточно большом напряжении оно пронизывает i-область, и свободные носители, появившееся за счет фотонов при облучении, ускоряются электрическим полем p-n-переходов. Это дает выигрыш в быстродействии и чувствительности. Повышение быстродействия в p-i-n-фотодиоде обусловлено тем, что процесс диффузии заменяется дрейфом электрических зарядов в сильном электрическом поле. Уже при Uобр ≈ 0,1 В p-i-n-фотодиод имеет преимущество в быстродействии.
Для этих полупроводников характерно наличие в зоне p-n перехода участка, обладающего собственной проводимостью и значительной величиной сопротивления. При попадании на этот участок светового потока появляются пары дырок и электронов. Электрополе в данной области постоянно, пространственного заряда нет. Такой вспомогательный слой расширяет диапазон рабочих частот полупроводника. По функциональному назначению p-i-n-фотодиоды разделяют на детекторные, смесительные, параметрические, ограничительные, умножительные, настроечные и другие.
Этот вид отличается высокой чувствительностью. Его функция – преобразование светового потока в электросигнал, усиленный с помощью эффекта лавинного умножения. Может применяться в условиях незначительного светового потока. В конструкции лавинных фотодиодов используются сверхрешетки, способствующие снижению помех при передаче сигналов.
Состоит из металла и полупроводника, вокруг границы соединения которых создается электрическое поле. Главным отличием от обычных фотодиодов p-i-n-типа является использование основных, а не дополнительных носителей зарядов.
Образуется из двух полупроводников, имеющих разную ширину запрещенной зоны. Гетерогенным называют слой, находящийся между ними. Путем подбора таких полупроводников можно создать устройство, работающее в полном диапазоне длин волн. Его минусом является высокая сложность изготовления.
Фотодиоды - малоинерционные фотоприемники. Инерционность их зависит от временных характеристик процесса фотогенерации носителей, условий разделения электронно-дырочных пар, емкости р-n перехода, а также сопротивления нагрузки. В ряде случаев от фотоприбора требуется высокое быстродействие (несколько наносекунд и менее). Такие приборы необходимы в оптических линиях связи, системах воспроизведения звука с компакт-дисков и др. В подобных устройствах применяют фотодиоды структуры p-i-n (i - диэлектрик) и лавинные фотодиоды.
Рис. 3
p–i–n фотодиоды. Структурная схема p-i-n фотодиода показана на Рис.3.а. На подложке с проводимостью n+ сформирован слаболегированный i- слой и слой с проводимостью р+ толщиной до 0,3 мкм. При подаче обратного смещения обедненным оказывается весь i- слой. В результате емкость перехода уменьшается, расширяется область поглощения падающего излучения и повышается чувствительность прибора. Поглощаемое излучение в структуре затухает по экспоненте (см. Рис.3) в зависимости от коэффициента поглощения и вызывает появление фото возбужденных носителей. Электрическое поле обедненного слоя (напряженность поля больше или равна 103 В/см) ускоряет их до скорости насыщения дрейфа (около 107 см/с). Эту область называют пространством дрейфа.
За пределами обедненного слоя движение носителей носит диффузионный характер с относительно низкой скоростью - примерно 104 см/с. Это обстоятельство ухудшает быстродействие. Для его повышения необходимо сконцентрировать поглощение излучения в обедненном слое. С этой целью слой р+ делают очень тонким, а толщину слоя i - большей длины поглощения излучения 
. Длина поглощения для кремния на длине волны 0,8 мкм равна примерно 10...20 мкм и рабочее напряжение, при котором обедненный слой имеет требуемую ширину, не превышает 10...20 В.
Рис. 4
Лавинные фотодиоды (ЛФД). ЛФД (см. Рис.3.б) работают при обратных напряжениях смещения достаточных для размножения носителей. По сравнению с p – i – n фотодиодами они обладают внутренним усилением и в силу этого имеют большую чувствительность при приеме более слабых сигналов. ЛФД изготавливаются на основе Ge, Si, соединений группы АIIIBV и других полупроводников. При выборе материала фотодиода определяющими параметрами являются квантовая эффективность в заданном спектральном диапазоне, быстродействие и шумы. Германиевые ЛФД обеспечивают высокую квантовую эффективность в спектральном диапазоне 1…1,6 мкм, а кремниевые – особенно эффективны на длинах волн 0,6…1 мкм. В лавинном фотодиоде излучение поглощается в обедненном слое. Для создания ударной ионизации фотовозбужденными носителями рядом с р-n переходом формируют область с высокой напряженностью электрического поля (более 105 В/см), в которой происходит лавинное умножение носителей. Коэффициент умножения М при напряжении смещения близком к напряжению пробоя, может достигать 1000. М - показывает во сколько раз увеличивается ток оптически генерируемых носителей. Для кремния эта зависимость представлена на Рис.4. Однако это значение зависит и от температуры. Температурный коэффициент изменения напряжения пробоя до 0,2%/°С. Проектируя цепь смещения лавинного фотодиода, необходимо предусмотреть меры, устраняющие влияние этого фактора.
Рис. 5
На Рис.5.а, б схематически показана конструкция p-i-n и лавинного фотодиода соответственно. Где: 1. – просветляющее покрытие; 2. – металлические контакты; 3. – окись кремния SiO2; 4. – охранное кольцо; 5. – подложка.
Для уменьшения отражения света от поверхности диода ее покрывают пленкой 1. По периметру рабочей поверхности формируют защитное кольцо 2, позволяющее повышать напряжение пробоя. Оптимально выбранные размеры элементов прибора дают возможность получать весьма хорошие параметры. При напряжении 100...150 В быстродействие лавинного фотодиода оказывается равным примерно 0,3 нс.
Рис.6
На Рис.6 показана эквивалентная схема фотодиода, где R1 – последовательное сопротивление, моделирующее сопротивление базы, C – емкость p – n перехода, R2 – внутреннее сопротивление p – n перехода. Быстродействие ограничено временем пробега фотовозбужденных носителей и постоянной времени =R1C(1+R1/R2). Время пробега носителей при скорости 107 см/с и ширине обедненного слоя 100 мкм примерно 1нс. При меньшей ширине обедненного слоя может быть достигнута граничная частота до нескольких гигагерц. Емкость диода - 1...2пФ (сумма паразитной емкости корпуса и емкости перехода). Об этом говорит сайт https://intellect.icu . Если сопротивление нагрузки принять равным 50 0м, то постоянная времени t=0,05...0,1нс.
Темновой ток – это ток утечки, который растет при увеличении напряжения обратного смещения. При работе в фотодиодном режиме наблюдаются более высокие значения темнового тока, которые зависят от температуры окружающей среды.
При увеличении температуры на 10 °C величина темнового тока увеличивается примерно в 2 раза, а шунтирующее сопротивление удваивается при увеличении температуры на 6 °C. Чем выше напряжение смещения, тем меньше емкость перехода, но тем больше величина темнового тока.
Темновой ток также зависит от материала полупроводника и размера активной области. Например, у кремниевых фотодиодов значения темнового тока значительно ниже, чем у германиевых. В таблице ниже представлены различные полупроводниковые материалы и их относительные значения темнового тока, чувствительности, быстродействия и стоимости.
|
Материал |
Темновой ток |
Быстродействие |
Спектральный диапазон |
Стоимость |
|
Кремний (Si) |
Низкий |
Высокое |
Видимый – Ближний ИК |
Низкая |
|
Германий (Ge) |
Высокий |
Низкое |
Ближний ИК |
Низкая |
|
Фосфид галлия (GaP) |
Низкий |
Высокое |
УФ - Видимый |
Средняя |
|
Арсенид галлия-индия (InGaAs) |
Низкий |
Высокое |
Ближний ИК |
Средняя |
|
Антимонид арсенида индия (InAsSb) |
Высокий |
Низкое |
Ближний – Средний ИК |
Высокая |
|
Кадмий-ртуть-теллур (MCT, HgCdTe) |
Высокий |
Низкое |
Ближний – Средний ИК |
Высокая |
Темновой ток (протекающий через диод независимо от фототока) представляет собой сумму обратного тока и тока поверхностной утечки. Он вызывает дробовой шум. У кремниевых фотодиодов темновой ток мал (около 10-12 А), поэтому и уровень шума относительно невысок. Шумовые характеристики германиевых приборов заметно хуже.
Если мощность падающего излучения равна РО, то соответствующее число падающих фотонов будет РО/h и фототок
(5)
где 
- квантовый выход, e - заряд электрона, h - постоянная Планка, 
- частота.
При этом квантовый выход определяется соотношением:
Рис. 7
(6)
где R - коэффициент отражения потока от рабочей поверхности прибора; Lа - ширина области поглощения света; 
- коэффициент поглощения
На Рис.7 представлена зависимость квантового выхода от длины волны излучения для германия и кремния. Границу чувствительности в области длинных волн определяет ширина запрещенной зоны материала, а падение чувствительности в области коротких волн - уменьшение длины поглощения вблизи поверхности и поверхностная рекомбинация фотовозбужденных носителей. Конструкция и схема включения фотодиода показана на Рис.8.а, б где: а - конструкция, б - схема включения фотодиода. Пластина 1 из монокристалла германия с электропроводимостью n- типа закреплена с помощью кристаллодержателя 2 в коваровом корпусе 3. Эта пластинка является базой фоточувствительного элемента и располагается против окна, закрытого стеклянной собирающей линзой 10. Электронно-дырочный переход образован вплавлением в пластину германия капли индия 8 - сплавной переход. При сплавлении индия с германием в результате диффузии индия в прилегающей области германия образуется слой с электропроводимостью p- типа. Вывод 4 от индиевого электрода пропущен через коваровую трубку 5, закрепленную стеклянным изолятором 6 в ножке 7 корпуса. Другим электродом является корпус фотодиода, так как кристалл германия припаян к кристаллодержателю оловянным кольцом 9. Для защиты p-n перехода от воздействия окружающей среды корпус фотодиода герметизирован. Наибольшее распространение получили фотодиоды на основе германия и кремния. Так же используют полупроводниковые соединения элементов групп AII BV и AII BVI (GaAs, InAs, InSb, InP, CdS, CdTe, HgCdTe и др.) Фотодиоды применяются в качестве приемников лазерных лучей в звуковоспроизводящей аппаратуре.
Рис. 8
Основное отличие от p-i-n фотодиода состоит в том, что в базе p-n фотодиода имеют место только диффузионные, а не дрейфовые процессы. Отсюда большая инерционность и низкая эффективность собирания носителей при значительной толщине базы, т.е. при работе с ИК–излучением.
На λ > 0,85…0,90 мкм фоточувствительность p-n фотодиода на порядок ниже, чем у p-i-n фотодиода.
Но p-n фотодиоды имеют и важные достоинства.
Они проще в изготовлении, использование низкоомной однородной исходной п/проводниковой пластины обуславливает и повышенную однородность параметров. Это особенно важно при создании многоэлементных, матричных ФП.
В коротковолновой области (λ < 0,55 мкм) различия в собирании носителей зарядов между p-n- и p-i-n-структурами стираются. Основное и исключительно важное достоинство кремниевых p-n фотодиодов заключается в полной совместимости технологии их изготовлении с технологией интегральных микросхем и их низкая стоимость.
p-i-n-фотодиод разновидность фотодиода, в котором между областями электронной (n) и дырочной (p) проводимости находится собственный (нелегированный) полупроводник (i-область). Толщина i-слоя выбирается достаточно большой (500 – 700 мкм), легированные слои сделаны очень тонкими все оптическое излучение поглощалось в i- слое и сокращалось время переноса зарядов из i-зоны в легированные области
Конструкция pin-фотодиода
Принцип работы p-i-n-фотодида
Фотон входит в i-область, порождая образование электронно- дырочных пар. Носители заряда, попадая в электрическое поле ОПЗ, начинают двигаться к высоколегированным областям, создавая электрический ток, который может быть детектирован внешней цепью. Проводимость диода зависит от длины волны, интенсивности и частоты модуляции падающего излучения. i-слой называется обедненным слоем, поскольку в нем нет свободных носителей. Сильное легирование крайних слоев делает их проводящими, поэтому все напряжение падает на i-слое и в нем создается максимальное значение электрического поля.
4 Основные параметры чувствительность (в современных p-i-n-фотодиодах чувствительность составляет величину от 10 н Вт до 100 п Вт, что соответствует -50 д Бм д Бм); квантовая эффективность (в p-i-n-фотодиодах обычно достигает 80%, для фотодиодов, сконструированных для применения в оптоволоконных линиях, емкость перехода равна 0,2 пФ при рабочей поверхности диода 200 мкм); время отклика (фотогенерированные носители в i- слое будут разделяться в сильном электрическом поле, и фото отклик таких диодов будет быстрым).
Кремниевые p-i-n-фотодиоды
Кремниевые p-i-n-фотодиоды обладают низкой зарядовой емкостью, которая позволяет им работать в широком диапазоне частот при низком напряжении смещения. При подключении кремниевых p-i-n- фотодиодов к высокоскоростному предусилителю их малая общая емкость обеспечивает высокое быстродействие и низкий уровень шума. Эта особенность делает кремниевые p-i-n-фотодиоды идеальными детекторами для применения в высокоскоростной фотометрии и оптических линиях связи. Эти приборы поставляются в нескольких типах корпусов (металлический, керамический и пластмассовый) и с различными размерами активной области. Также доступны p-i-n-фотодиоды с мини- линзами, благодаря которым повышается коэффициент передачи оптической мощности.
Достоинства:
Недостатки:
Схема включения p-i-n-фотодиода
В схеме включения разделительная емкость Ср позволяет устранить высокое напряжение смещения до 30 В со входа малошумящего усилителя. Динамический диапазон входных оптических мощностей для схемы фотодиода с усилителем может достигать 60 дБ.
Контакт-металл-п/проводник, или барьер Шотки, является эквивалентом p-i-n-фотодиода в коротковолновой области спектра, когда все излучение поглощается в области пространственного заряда. Для λ≈0,63 мкм (оранжево-красный спектр), формируемого гелий-неоновым лазером, при быстродействии ≈10-10с. почти достигнут теоретический предел фоточувствительности Sф≈0,5 А/Вт.На подложке сильнолегированного n+ кремния выращивается пленка высокоомного чистого Si. Затем после создания диффузионных колец р+ типа на тщательно очищенную поверхность Si напыляется тончайшая ≈ 0,01 мкм металлическая пленка (Au, Al, Mo и др.), а поверх ее антиотражающие покрытия SiO2 и ZnS. Металлическая пленка обеспечивает значительно меньшее последовательное сопротивление, чем обычный р+-n переход, также паразитное поглощение коротковолнового излучения в металлической пленке меньше, чем в р+ области из-за резкого различия толщин. В этом решающее преимущество фотодиода с барьером Шотки по сравнению с p-n (или p-i-n) – структурами в коротковолновой области спектра.
Дополнительные достоинства этих приборов связаны с возможностью их простого изготовления методами низкотемпературной технологии на самых разнообразных п/проводниках даже таких, в которых не удается получить p-n-переходы.
Фотодиоды на барьере Шотки имеют технологическую и физическую совместимость со структурами интегральной оптики.
гетерофотодиод ы. В конструкции ГФД выделяются две области: широкозонное окно и активный фоточувствительный слой. Широкозонное окно без существенных потерь пропускает излучение в активной области и в тоже время является контактным слоем с малым последовательным сопротивлением.
Процессы в активной области – поглощение излучения, накопление генерируемых носителей зарядов – протекают так же, как в кремниевой p-i-n-структуре. Отличие заключается в том, что выбором подходящего п/проводника соединения фоточувствительного слоя удается обеспечить полное поглощение излучения при толщине этого слоя порядка 1 мкм. Отсюда сочетание высокого быстродействия и высокой фоточувствительности при малых питающих напряжениях, что для Si-p-i-n-структур в длинноволновой ИК области принципиально недостижимо. Для такой структуры при λ≈1,06 мкм толщина i – области должна составлять ≈300 мкм, а рабочее напряжение сотни вольт.
Таким образом, ГФД в некотором роде эквивалент кремниевых p-i-n-диодов в длинноволновой области. Важнейшим достоинством ГФД является также их физическая и технологическая совместимость с устройствами интегральной оптики. Например, открывается возможность создания универсальных монолитных оптоэлектрических элементов дуплексной связи (двусторонняя связь).
ГФД значительно сложнее в изготовлении, обладают повышенным уровнем шумов.
Свобода выбора материала ГФД обуславливает и возможность достижения повышенных значений фото-ЭДС (например Uxx=0,8…1,1В у GaAlAs – структур), высокого значения КПД преобразования (≈100%), меньших чем у кремниевых фотодиодов темповых токов и шумов, расширение температурного диапазона, повышения устойчивости к воздействию проникающей радиации.
М ДП – фотодиод, или фоточувствительная МДП – структура, используется в разных электрических режимах. Одна из таких возможностей характерна ФПЗС, где излучение преобразуется в заряд неосновных носителей, который накапливается у границы раздела п/проводник-диэлектрик и при необходимости считывается (переносится вдоль поверхности) благодаря механизму зарядовой связи. Тот же заряд модулирует проводимость приповерхностной области (МДП-канал), что ведет к изменению выходного сигнала МДП-транзистора или сопротивления МДП - фоторезистора. Зарядовый обмен между полупроводником и диэлектриком вызывают поляризацию диэлектрика, сохраняющаяся длительное время после прекращения излучения, т.е. происходит «запоминание» светового сигнала. При оптических или электрических воздействиях записанную информацию можно считывать соответствующими методами.
Специальные МДП - структуры с очень тонким «тунельно-прозрачным» диэлектриком пропускают электрический ток и по свойствам близким к фотодиодам с барьером Шотки. Такой МДП-фотодиод генерирует токовые сигналы точно так же, как любой другой фотодиод.
Концепция динамического режима породила и еще более своеобразный МДПДМ-фотодиод, в котором фотоносители, генерируемые в п/проводнике (обычно близком к собственному), пространственно растягиваются под действием приложенного напряжения, но из кристалла не выходят, а могут лишь рекомбинировать. Это позволяет получить значительное усиление фототока подобно тому, как это происходит в фоторезисторах.
МДП-структуры позволяет достигать очень высоких коэффициентов умножения (до М≈105, у обычных ЛФД ≈102…103) и создания больших и однородных фоточувствительных площадей (до неск. см2).
Изготовить качественную МДП-структуру значительно сложнее, чем p-n-переход, т.к. p-n-переход создается внутри монокристалла, а в МДП-элементе взаимодействуют материалы структурно и химически разнородные.
Достоинства МДП-фотодиодов.
Функциональная широта. В качестве эквивалента оптической информации в них может выступать: электрический заряд, изменение проводимости канала, поляризация диэлектрика, фото-ЭДС, фотоемкость, постоянный или импульсный фототок;
Конструктивно-технологическая гибкость, т.е. возможность варьирования гаммой п/проводников, диэлектриков и металлов, «низкотемпературность большинства технологических процессов, использование монопланарных и тонкопленочных поликристаллических структур;
Высокие значения фотоэлектрических параметров, и возможность их изменения в широких пределах. МДП-фотодиоды могут работать и коротковолновой области (как фотодиоды с барьером Шотки), так и в длинноволновой (как p-i-n-структуры); наличие диэлектрика позволяет получать минимальные темповые токи (и как следствие, малые шумы);
Физическая, электрическая, технологическая совместимость с биполярными, и в особенности с МДП-микросхемами.
Структура металл-полупроводник. При образовании структуры часть электронов перейдет из металла в полупроводник p-типа.
В структуре используется лавинный пробой. Он возникает тогда, когда энергия фотоносителей превышает энергию образования электронно-дырочных пар. Очень чувствительны. Для оценки существует коэффициент лавинного умножения:
Для реализации лавинного умножения необходимо выполнить два условия:
1) Электрическое поле области пространственного заряда должно быть достаточно большим, чтобы на длине свободного пробега электрон набрал энергию, большую, чем ширина запрещенной зоны:
2) Ширина области пространственного заряда должна быть существенно больше, чем длина свободного пробега:
Значение коэффициентов внутреннего усиления составляет M = 10—100 в зависимости от типа фотодиодов.
Гетеропереходом называют слой, возникающий на границе двух полупроводников с разной шириной запрещенной зоны. Один слой р+ играет роль «приемного окна». Заряды генерируются в центральной области. За счет подбора полупроводников с различной шириной запрещенной зоны можно перекрыть весь диапазон длин волн. Недостаток — сложность изготовления.
При воздействии квантов излучения в базе происходит генерация свободных носителей, которые устремляются к границе p-n-перехода. Ширина базы (n-область) делается такой, чтобы дырки не успевали рекомбинировать до перехода в p-область. Ток фотодиода определяется током неосновных носителей — дрейфовым током. Быстродействие фотодиода определяется скоростью разделения носителей полем p-n-перехода и емкостью p-n-перехода Cp-n
Фотодиод может работать в двух режимах:
Особенности:
-
Рис. 2
токовая чувствительность Si (А/лм или А/Вт) - определяет значение фототока, создаваемого единичным потоком излучения; Статическую интегральную токовую чувствительность при монохроматическом световом потоке или мощности излучения определяют отношением:
(1)
или
(мА-Вт-1) (2)
где IФ - фототок; Ф - световой поток, Р - мощность излучения.
При работе прибора в фотодиодном режиме удобно использовать понятие интегральной вольтовой чувствительности:
(3)
(4)
где UВЫХ - изменение выходного напряжения; RН - сопротивление нагрузки.
- спектральная характеристика. Показывает распределение чувствительности материала к длине волны падающего на него излучения. На Рис.2 показаны типовые спектральные характеристики кремниевого (2) и германиевого (1) фотодиодов. Как видно из Рис.2, максимум чувствительности германиевых диодов сдвинут в сторону более длинных волн.
- постоянные времени нарастания 
и спада 
фототока, они определяют предельные значения рабочей частоты модуляции светового потока, при которых еще не заметно уменьшение фото отклика. Эти параметры характеризуют инерционность приборов. Обычно 
.
- быстродействие - определяется граничной частотой fГР, соответствующей максимальной частоте модуляции светового потока, на которой статическая чувствительность уменьшается до уровня 0,707 от чувствительности на низкой частоте модуляции.
- номинальное рабочее напряжение UНОМ, темновой ток IТМ и максимально допустимое обратное напряжение UMAX.
Фотодиоды, изготовленные на основе кремния, работают в интервале длин волн 0,5...1,1 мкм. Фотодиоды на основе германия работают в интервале длин волн 0,5...1,9 мкм.
Большинство фотодиодов выпускают в герметичных металлостеклянных корпусах. Фотодиод ФД-1 выпускают в металлокерамическом корпусе, фотодиод ФД-2 - в пластмассовом корпусе. Плюсовый вывод фотодиодов маркируют на корпусе знаком «+», точкой или цветной меткой на вводе. Для ввода оптического излучения на фоточувствительный элемент в корпусе фотодиода встраивают входные окна, линзы, световоды и другие оптические элементы. Без входного встроенного оптического элемента выпускается фотодиод ФД-20-ЗОК. Фотодиоды ФД20-32К и ФД-20-ЗОК имеют по два фоточувствительных элемента ФД-19К, ФД-20КП, ФД-22КП и ФД-20-ЗЗК-по четыре. Фотодиод ФД-246 имеет 64 фоточувствительных элемента. Фотодиод ФД-К-142 имеет координатно-чувствительный квадратный четырехэлементный оптический вход.
Достоинства фотодиодов:
Недостатки фотодиодов:
Фотодиоды P−n используются в аналогичных применениях с другими фотоприемниками , такими как фотопроводники , приборы с зарядовой связью и фотоумножители . Они могут использоваться для генерации выходного сигнала, который зависит от освещения (аналоговый; для измерения и т.п.), или для изменения состояния схемы (цифровой; либо для управления и коммутации, либо для цифровой обработки сигналов).
Фотодиоды используются в устройствах бытовой электроники, таких как проигрыватели компакт-дисков , детекторы дыма , медицинские приборы [16] и приемники для инфракрасных устройств дистанционного управления, используемых для управления оборудованием от телевизоров до кондиционеров. Для многих применений могут использоваться либо фотодиоды, либо фоторезисторы. Любой тип фотодатчика можно использовать для измерения освещенности, например, в измерителях освещенности камеры , или для реагирования на уровни освещенности, например, при включении уличного освещения после наступления темноты.
Фотодатчики всех типов могут использоваться для реагирования на падающий свет или источник света, который является частью той же схемы или системы. Фотодиод часто объединяется в один компонент с излучателем света, обычно светодиодом (LED), либо для обнаружения наличия механического препятствия для луча ( щелевой оптический переключатель ), либо для соединения двух цифровых или аналоговых цепи при сохранении чрезвычайно высокой электрической изоляции между ними, часто для обеспечения безопасности ( оптопара ). Комбинация светодиодов и фотодиодов также используется во многих сенсорных системах для характеристики различных типов продуктов на основе их оптического поглощения .
Фотодиоды часто используются для точного измерения интенсивности света в науке и промышленности. Они обычно имеют более линейный отклик, чем фотопроводники.
Они также широко используются в различных медицинских приложениях, таких как детекторы для компьютерной томографии (в сочетании со сцинтилляторами ), инструменты для анализа образцов ( иммуноанализ ) и пульсоксиметры .
PIN-диоды намного быстрее и более чувствительны, чем p-n-переходные диоды, и, следовательно, часто используются для оптической связи и в регулировании освещения.
Фотодиоды P–n не используются для измерения очень низкой интенсивности света. Вместо этого, если требуется высокая чувствительность, лавинные фотодиоды , устройства с усиленной зарядовой связью или фотоумножители используются для таких применений, как астрономия , спектроскопия , приборы ночного видения и лазерное дальномеризация .
Фотодиоды являются основными элементами многих оптоэлектронных приборов.
Фотодиод может иметь значительную скорость работы, но коэффициент усиления тока составляет не более единицы. Вследствие оптической связи микросхемы имеют существенные преимущества: идеальная гальваническая развязка цепей управления от мощных силовых цепей. При этом между ними сохраняется функциональная связь.
Эти устройства в виде фотодиодной матрицы, сканистора, являются новыми прогрессивными электронными устройствами. Их оптоэлектронный глаз с фотодиодом может создавать реакцию на пространственные и яркостные свойства объектов. Другими словами, он может видеть полный его зрительный образ.
Количество ячеек, чувствительных к свету, очень большое. Поэтому, кроме вопросов быстродействия и чувствительности, необходимо считывание информации.
Все фотоприемники с множественными фотоэлементами являются сканирующими системами, то есть, приборами, которые позволяют анализировать исследуемое пространство последовательным поэлементным просмотром.
Фотодиоды также нашли широкое применение в оптоволоконных линиях, лазерных дальномерах. Недавно такие световые диоды стали использоваться в эмиссионно-позитронной томографии.
В настоящее время имеются образцы светочувствительных матриц, состоящих из лавинных фотодиодов. Их эффективность и область применения зависит он некоторых факторов.
Исследование, описанное в статье про фотодиод, подчеркивает ее значимость в современном мире. Надеюсь, что теперь ты понял что такое фотодиод, гетерофотодиод и для чего все это нужно, а если не понял, или есть замечания, то не стесняйся, пиши или спрашивай в комментариях, с удовольствием отвечу. Для того чтобы глубже понять настоятельно рекомендую изучить всю информацию из категории Электроника, Микроэлектроника , Элементная база
Комментарии
Оставить комментарий
Электроника, Микроэлектроника , Элементная база
Термины: Электроника, Микроэлектроника , Элементная база