Что такое фотодиод

Фотодиод – радиодеталь, имеющая высокую фоточувствительность диода с переходом p-n. При появлении света, внутри него возникает электронно-дырочная пара. Ток имеет тоже направление что и обратный токовый переход. В случае попадания излучения на фотодиод, оно частично рассеивается, а большая его часть просто поглощается. При этом возникают носители этого заряда, то есть дырки и электроны, что приводит к высокой электропроводности.

Это свойство объясняет их популярность при производстве самых различных датчиков, элементов управления и других устройствах, работающие с привязкой к свету и его интенсивности. Статья содержит подробную информацию о данных радиодеталях и как они используются.

Принципы действия

Фотодиоды преобразуют световые сигналы прямо в электрические,, используя обрат-лый пр сравнению со светодиодами физический процесс. В p-i-n-фотодиоде есть широкий внутренний (i-) полупроводниковый слой, разделяющий зоны р- и n-типа, как показано на рис. 6.9. На диод подается обратное смещение (5-20 вольт), это помогает удерживать лосители заряда от внутренней области.

• а — полупроводниковая структура фоточувствительного элемента фотодиода с р—п- переходом; б — внешний вид; в — УГО;
• г — ВАХ;
• / — слой проводника с примесями, создающими избыток электронов (л-носителей);
• 2— слой полупроводника с примесями, создающими избыток дырок (л-носителей); 3 — металлические контакты дящиеся на расстоянии от р — п-перехода, меньшем длины диффузии, достигают перехода и под воздействием потенциального барьера перехода переходят в область с п-проводимостью.

То же происходит с дырками, генерируемыми в /7-области. Неосновные носители, генерируемые в области освещения объемного заряда перехода, перемещаются в область с соответствующим типом проводимости. В результате разделения неравновесных носителей заряда высота потенциального барьера на границе р—п-перехода понижается и возникает обратный ток, пропорциональный освещенности.

Фотодиоды используют в фотодиодном и фотогальваническом режимах. В первом режиме диод смещается в обратном направлении напряжением и фототок, возникающий при освещении, является функцией мощности светового потока. Во втором режиме прибор работает — генерирует фотоЭДС, т.е. при освещении р—72- перехода на выходе фотодиода возникает напряжение, пропорциональное мощности светового потока. По сравнению с фотогальваническим фотодиодный режим обладает следующими достоинствами: повышенным быстродействием и чувствительностью к длинноволновой части оптического спектра, более широким динамическим диапазоном с линейной характеристикой. Основным недостатком фотодиода является наличие шумового тока, протекающего через нагрузку. В некоторых случаях при необходимости обеспечения низкого уровня шума фотоприемника фотогальванический режим может оказаться более выгодным, чем фотодиодный. Для снижения шумового тока применяют охлаждение фотодиода до -10 °С.

Вольт-амперные характеристики фотодиода в квадранте I соответствуют включению в прямом направлении. Квадрант 111 соответствует случаю работы диода в фотодиодном и фотогальваническом режимах. По оси напряжения можно определить фотоЭДС 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. В паспорте фотодиода обычно указывают рабочее напряжение (?/_раб) и напряжение электрического пробоя (?/_пр), позволяющие использовать фотодиод в оптимальном режиме.

Интересный материал для ознакомления: что нужно знать об устройстве силового трансформатора.

Люкс-амперные характеристики кремниевых фотодиодов линейны до интенсивности, превышающей сотни тысяч люкс. Насыщение фотодиода и выход на нелинейный участок в фотогальваническом режиме наступают при меньших уровнях освещенности, по сравнению с фотодиодным. Насыщение германиевого фотодиода в фотодиодном режиме происходит при интенсивности облучения в тысячи — десятки тысяч люкс. Фоточувствительность и обнаружительная способность фотодиода уменьшается, а уровень собственных шумов увеличивается с увеличением температуры прибора в связи с увеличением тем- нового тока.

Вольт-амперную характеристику при отсутствии облучения называют темповой. Значение темнового тока /_х при заданной температуре окружающей среды и рабочем напряжении обычно указывают в паспорте прибора. Темновой ток кремниевых и германиевых фотодиодов зависит от температуры окружающей среды. С повышением температуры на каждые 10 °С темновой ток германиевых приборов увеличивается в два, а кремниевых — в 2,5 раза. При этом максимум спектральной характеристики сдвигается в сторону более коротких волн. Понижение температуры приводит к противоположным изменениям, т.е. к повышению чувствительности, снижению шумов, расширению спектрального диапазона. Поэтому для улучшения работы фотодиодов применяют охлаждение полупроводниковым холодильником на основе эффекта Пельтье.

Принцип работы и схема включения фотодиода в вентильном (фотогенераторном) режиме циального барьера перехода уменьшает также контактную разность потенциалов в переходе е_к, что ослабляет дрейф электронов из р- области в «-область. Между встречными потоками электронов наступает динамическое равновесие (поток электронов из /7-области равен потоку электронов из «-области). Однако в результате дрейфа увеличивается концентрация основных отрицательно заряженных зарядов — электронов в «-области и положительно заряженных дырок в /7-области и создается разность потенциалов между р- и «-областями, которая зависит от интенсивности светового потока и называется фотоэлектродвижущей силой (фотоЭДС).

Обычно она составляет 0,1—1 В и не может быть больше контактной разности потенциалов в потенциальном барьере. Образование фотоЭДС, обусловленное перераспределением зарядов между /7- и «-полупроводниками за счет фотопотока, называется фотогальваническим эффектом. Таким образом, в результате образования фотоЭДС частично компенсируется контактная разность потенциалов р-п-перехода и тем самым снижается его потенциальный барьер.

Если области полупроводника, образующие /7-«-переход, замкнуть внешней цепью, то в ней потечет фототок /_ф, направление которого совпадает с направлением тока неосновных носителей заряда /7-области, т.е. фототок течет в том же направлении, что и обратный ток /7-«-перехода при подаче напряжения обратного смещения. Основными характеристиками фотодиодов являются световая, вольт-амперная и спектральная характеристики, снятые по схеме. Рассмотрим основные характеристики фотодиода в фотодиодном (фотопреобразовательном) режиме.

Материал в тему: все о переменном конденсаторе.

Ширина внутреннего слоя гарантирует, что высока вероятность поглощения входящих фотонов именно этим слоем, а не областями р- или n-типа. Внутренний слой имеет высокое сопротивление, поскольку в нем нет свободных носителей заряда. Это приводит к падению большей части напряжения на этот слой, и результирующее электрическое поле повышает скорость ответа и снижает шум. Когда луч света с подходящей энергией попадает на внутренний слой, он создает пару электрон – дырка, поднимая электрон из валентной зоны в зону проводимости и оставляя на его месте дырку. Напряжение смещения заставляет эти носители заряда (электроны в зоне проводимости) быстро смещаться из переходной зоны, создавая ток, пропорциональный падающему свету.

Длина волны отсечки

У входящего фотона должно быть достаточно энергии для подъема электрона через запрещенную зону и создания пары электрон – дырка. У различных полупроводниковых материалов ширина запрещенной зоны различная, энергетический барьер в электрон-вольтах (эВ) может быть связан с длиной волны (λ) с помощью того же самого уравнения, как для светодиодов. Для конкретного типа детектора энергетический барьер W есть величина постоянная, поэтому вышеприведенная формула дает максимальную длину волны, которая может быть зафиксирована, то есть длину волны отсечки.

Чувствительность

Чувствительность ρ есть отношение выходного тока (i) детектора к входной оптической -мощности (Р). Для 800 нм чувствительность кремния около 0,5 А/Вт, а пиковая чувствительность InGaAs около 1,1 А/Вт для 1700 нм, снижаясь до 0,77 А/Вт для 1300 нм.

Спектральная характеристика

Спектральная характеристика показывает изменение чувствительности в зависимости от длины волны. Типичные кривые спектральной характеристики для кремниевых и InGaAs p-i-n-диодов показаны на рис. 6.10.

Квантовая эффективность

Квантовая эффективность излучателя определяется как отношение числа выделенных электронов к числу падающих фотонов. У кремния и InGaAs пиковая квантовая эффективность около 80%.

Интересно почитать: фотореле в уличном освещении.

Скорость ответа

Скорость ответа детектора ограничена временем прохода, которое является временем преодоления свободными зарядами ширины внутреннего слоя. Это функция напряжения обратного смещения и физической ширины. Для быстрых p-i-n-диодов она колеблется от 1,5 до 10 нс. Емкость также влияет на ответ устройства, причем емкость перехода образует изолирующим внутренним слоем между электродами, образованными p- и n-областями. У высокоскоростных фотодиодов время ответа может достигать 10 пикосекунд при емкости в несколько пикофарад с очень маленькими площадями поверхностей.

Вольтамперная характеристика

Типичные вольтамперные (I-U) кривые для кремниевого p-i-n-фотодиода показа, на рис. 6.11. Можно видеть, что даже когда нет оптической мощности, течет небольшой обратный ток, который называется темновым током (dark current). Он вызывается температурным образованием свободных носителей зарядов, обычно удваиваясь через каждые 10°С прироста температуры после 25°С.

Динамический диапазон

Линейная зависимость между напряжением и оптической мощностью, показанная на рис. 6.11 сохраняется обычно на протяжении около шести десятков, давая динамический диапазон около 50 дБ.

Конструкция p-i-n-фотодиодов

Конструкция p-i-n-фотодиодов подобна использовавшейся для светодиодов и лазеров, но оптические требования менее критичны. Активная область детекторов обычно гораздо больше, чем сердечник волокна, поэтому поперечное выравнивание не создает проблем. У фотопроводящих материалов падающий свет приводит к увеличению числа заряженных частиц в активной области, что уменьшает сопротивление детектора. Изменение сопротивления влечет к изменению регистрируемого напряжения, поэтому фоточувствительность принято выражать в единицах В / Вт.

[stextbox id=’info’]Обратите внимание, что данная схема не предназначается для практических целей, так как в ней присутствует низкочастотный шум. Механизм обнаружения основан на проводимости тонкой пленки активной области. Выходной сигнал детектора без падающего света определяется следующим уравнением. В случае, когда свет попадает на активную область, изменение выходного напряжения определяется таким соотношением:[/stextbox]

Частотный отклик

Для получения сигналов переменного тока фотопреобразователи должны подключаться в цепь, где присутствует импульсный сигнал. То есть при использовании этих детекторов в схемах с CW-источниками следует подключать оптический прерыватель. Сигнал фотокондуктора будет оставаться постоянным до предельного времени отклика. Многие детекторы, включая устройства на PbS, PbSe, HgCdTe (MCT) и InAsSb, имеют спектр шума 1 / f (т. е. шум уменьшается с увеличением частоты модуляции), что существенно влияет на время отклика на более низких частотах. Детектор будет проявлять меньшую чувствительность на более низких частотах модуляции.

Температурная устойчивость

Обнаружители состоят из тонкой пленки на стеклянной подложке. Эффективная форма и рабочая площадь фотопроводящей поверхности могут значительно варьироваться в зависимости от условий эксплуатации. При этом рабочие характеристики прибора также меняются, в частности – чувствительность детектора изменяется в зависимости от рабочей температуры. Температурные характеристики запрещенных полос в соединениях PbS и PbSe отрицательны, поэтому охлаждение детектора сдвигает диапазон спектрального отклика на область более длинных волн. Для достижения наилучших результатов рекомендуется использовать фотодиоды в стабильной среде.

Заключение

Более подробно о том, что такое фотодиод, можно узнать, прочитав статью Устройство и использование фотодиодов. Если у вас остались вопросы, можно задать их в комментариях на сайте. Также в нашей группе ВК можно задавать вопросы и получать на них подробные ответы от профессионалов. Чтобы подписаться на группу, вам необходимо будет перейти по следующей ссылке: https://vк.coм/еlеctroinfonеt. В завершение статьи хочу выразить благодарность источникам, откуда мы черпали информацию:

www.izmer-ls.ru

www.studme.org

www.in-science.ru

www.studref.com