Caracteristicile tehnice ale fotodiodelor sovietice și circuitele de comutare. Fotodiode. circuitul fotodiodelor. descrierea principiului de funcționare, diagramă, caracteristici, metode de aplicare

Scop: fotodioda- un receptor de radiații optice care transformă lumina care cade pe zona sa fotosensibilă într-o sarcină electrică.

Principiul de funcționare: Cea mai simplă fotodiodă este o comună dioda semiconductoare, care oferă posibilitatea influenței radiației optice asupra joncțiunii p–n. Când sunt expuse la radiații într-o direcție perpendiculară pe planul joncțiunii p-n, ca urmare a absorbției fotonilor cu o energie mai mare decât banda interzisă, perechile electron-gaură apar în regiunea n. Acești electroni și găuri se numesc purtători foto. Când fotopurtătorii difuzează adânc în regiunea n, majoritatea electronilor și găurilor nu au timp să se recombine și să atingă limita joncțiunii p–n. Aici, fotopurtătorii sunt separați de câmpul electric al joncțiunii p–n, cu găurile care se deplasează în regiunea p, iar electronii nu pot depăși câmpul de tranziție și se acumulează la limita joncțiunii p–n și a regiunii n. Astfel, curentul prin joncțiunea p–n se datorează derivei purtătorilor minoritari – găuri. Curentul de deriva al fotopurtătorilor se numește fotocurent.

Fotodiodele pot funcționa în unul dintre cele două moduri - fără sursă externă energie electrică (mod fotogenerator) sau cu o sursă externă de energie electrică (mod fotoconvertor).

Dispozitiv: schema bloc a unei fotodiode. 1 - cristal semiconductor; 2 - contacte; 3 - concluzii; F - flux radiatii electromagnetice ; E - sursa

DC ; Rн - sarcină. Parametri: sensibilitate (reflectează schimbarea stării electrice la ieșirea fotodiodei atunci când la intrare este aplicat un singur semnal optic.); zgomot (pe lângă semnalul util, un semnal haotic cu o amplitudine aleatorie și

spectru - zgomot fotodiodă) Specificatii: a) caracteristica curent-tensiune fotodioda reprezintă dependența tensiunii de ieșire de curentul de intrare. b) caracteristica luminii Dependența fotocurentului de iluminare corespunde proporționalității directe a fotocurentului de iluminare.

c) caracteristicile spectrale ale fotodiodei este dependența fotocurentului de lungimea de undă a luminii incidente pe fotodiodă.

Aplicație:a) circuite integrate optoelectronice.

9. LED-uri. Scop, dispozitiv, principiu de funcționare, parametri principali și caracteristici.

Scop: LED este un dispozitiv semiconductor care emite lumină atunci când curentul este trecut prin el în direcția înainte.

Principiul de funcționare: Lucrarea se bazează pe fenomenul fizic al apariției radiației luminoase la trecere curent electric printr-o joncțiune p-n. Culoarea strălucirii (lungimea de undă maximă a spectrului de emisie) este determinată de tipul de materiale semiconductoare utilizate care formează joncțiunea p-n.

Un LED este un dispozitiv emițător de semiconductor cu una sau mai multe joncțiuni n-p care convertește energia electrică în energia radiației luminoase incoerente. Emisia are loc ca rezultat al recombinării purtătorilor injectați într-una dintre regiunile adiacente joncțiunii n-p. Recombinarea are loc atunci când purtătorii se deplasează de la nivelurile superioare la cele inferioare.

Caracteristici și parametri: parametrul principal al LED-urilor este eficiența cuantică internă (raportul dintre numărul de fotoni și numărul de purtători injectați în bază) și eficiența externă (raportul dintre fluxul de fotoni de la LED și fluxul de purtători de taxe în el). Eficiența externă este în mare măsură determinată de tehnologie și poate fi crescută semnificativ pe măsură ce nivelul acesteia crește.

Principalele caracteristici ale LED-urilor sunt tensiunea curentă, luminozitatea și spectrul. Principalii parametri ai diodelor emițătoare de lumină sunt lungimea de undă, jumătatea lățimii spectrului de radiații, puterea radiației, frecvența de funcționare și modelul de radiație.

LED-urile sunt utilizate pe scară largă în indicatoarele digitale, afișajele luminoase și dispozitivele optoelectronice. În mod fundamental, este posibil să se formeze un ecran de televiziune color pe baza lor.

1. Caracteristicile energetice ale unei fotodiode leagă fotocurentul de fluxul luminos incident pe fotodiodă. Dependența fotocurentului de flux luminos când fotodioda funcționează în modul generator, este strict liniară doar când fotodioda este scurtcircuitată. Odată cu creșterea rezistenței la sarcină, caracteristicile devin din ce în ce mai îndoite și, la valori mai mari, au o regiune de saturație pronunțată (Fig. 3.12, a). Când fotodioda funcționează într-un circuit cu o sursă externă de tensiune, caracteristicile energetice sunt mult mai apropiate de liniară. Pe măsură ce tensiunea aplicată crește, fotocurentul crește ușor (Fig. 3.12, b). Acest lucru se explică prin extinderea regiunii de tranziție și o scădere a lățimii bazei, ca urmare a faptului că o parte mai mică a purtătorilor de sarcină se recombină în bază atunci când se deplasează spre tranziție.

2. Caracteristicile spectrale absolute și relative ale fotodiodei sunt similare cu caracteristicile corespunzătoare ale fotorezistorului și depind de materialul fotodiodei și de impuritățile introduse (Fig. 3.12, c).

Caracteristicile spectrale acoperă practic întreaga regiune vizibilă (300-750 nm) și infraroșu ale spectrului.

4. Raspuns in frecventa arată modificarea sensibilității integrale atunci când luminozitatea fluxului luminos se modifică cu frecvente diferite radiații (Fig. 3.12, d). Uneori, proprietățile inerțiale ale unei fotodiode sunt caracterizate de o frecvență de tăiere la care sensibilitatea integrală scade cu un factor al valorii sale statice.

Orez. 3.12. Caracteristicile energetice ale fotodiodei în modul (a) și atunci când se lucrează cu o sursă externă (b); caracteristici spectrale și de frecvență relative

Frecvența de tăiere a fotodiodelor de siliciu de mare viteză este de ordinul Hz.

Pentru a îmbunătăți performanța și sensibilitatea în ultimii ani au fost dezvoltate o serie de fotodiode; cu câmp electric încorporat; pe baza barierelor Schottky; fotodiode de avalanșă etc.

În fotodiodele cu câmp electric încorporat, baza se obține printr-un proces de difuzie. Din cauza distribuție neuniformă concentrația de impurități în ea, apare un câmp electric intern, care accelerează mișcarea purtătorilor de sarcină minoritari la tranziție.

Datorită suprapunerii mișcărilor de difuzie și de derivă ale fotodiodei, aceasta crește ușor.

Fotodiodele realizate pe bază au o grosime semnificativ mai mare a regiunii epuizate de purtătorii majoritari de sarcină, deoarece între regiunile p și - există o regiune cu propria conductivitate electrică. Tensiuni semnificative pot fi aplicate tranziției fără riscul de a trece prin aceasta. Ca urmare, apare o situație în care radiația luminoasă este absorbită direct într-o regiune epuizată de purtători de sarcină majore, în care se creează un câmp electric de mare intensitate. Electronii și găurile care apar în regiunea de tranziție în timpul iradierii luminii sunt transferate instantaneu în regiunile corespunzătoare. Ca urmare, performanța crește brusc și f atinge Hz.

Fotodiodele bazate pe bariera Schottky sunt similare ca performanță. Sunt realizate din siliciu, pe suprafața căruia se aplică un strat de metal transparent din pelicule de aur (µm) și sulfură de zinc (01 până la 0,05 microni), creând o barieră Schottky. Datorită rezistenței minime de bază și absenței proceselor de acumulare și resorbție a sarcinilor în exces, viteza de răspuns este destul de mare Hz).

Fotodiodele de avalanșă folosesc defalcarea avalanșă a unei joncțiuni sau a barierei Schottky. Ele diferă de fotodiodele convenționale prin aceea că purtătorii de sarcină generați ca urmare a iradierii luminii se înmulțesc avalanșă în regiunea tranziției datorită ionizării de impact. Alegerea tensiunii externe și a parametrilor circuitului asigură că o avalanșă are loc numai sub iradiere luminoasă. Acest proces duce la faptul că curentul din circuit crește în comparație cu curentul datorită generării de lumină și curentul termic al tranziției cu un factor de (M-coeficient de multiplicare a avalanșei purtătorului.

Coeficientul de multiplicare a avalanșei este descris de relație

Fotodiodele sunt elemente semiconductoare care sunt fotosensibile. Funcția lor principală este transformarea fluxului de lumină într-un semnal electric. Astfel de semiconductori sunt utilizați ca parte a diferitelor dispozitive, a căror funcționare se bazează pe utilizarea fluxurilor de lumină.

Principiul de funcționare a fotodiodelor

Baza acțiunii elementelor fotodiodei este efectul fotoelectric intern. Constă în apariția într-un semiconductor sub influența unui flux luminos de electroni și găuri de neechilibru (adică atomi cu spațiu pentru electroni), care formează o forță fotoelectromotoare.

• Când lumina lovește o joncțiune pn, cuantele de lumină sunt absorbite pentru a forma fotopurtători
• Fotopurtătorii aflați în regiunea n se apropie de limita la care sunt separați sub influența câmpului electric
• Găurile se deplasează în zona p, iar electronii se adună în zona n sau în apropierea graniței
• Găurile încarcă pozitiv regiunea p, iar electronii încarcă negativ zona n. Se formează o diferență de potențial
• Cu cât iluminarea este mai mare, cu atât mai mult curent invers

Dacă semiconductorul este în întuneric, atunci proprietățile sale sunt similare cu o diodă convențională. Când testerul sună în absența luminii, rezultatele vor fi similare cu testarea unei diode convenționale. În direcția înainte va exista o rezistență mică, în direcția opusă săgeata va rămâne la zero.

Circuitul fotodiodelor

Moduri de operare

Fotodiodele sunt împărțite în funcție de modul lor de funcționare.

Modul generator de fotografii

Efectuat fără sursă de alimentare. Fotogeneratoarele, care sunt componente ale panourilor solare, se numesc altfel „ celule solare" Funcția lor este de a transforma energia solară în energie electrică. Cele mai comune fotogeneratoare se bazează pe siliciu - ieftine, răspândite și bine studiate. posedă cost scăzut, dar randamentul lor ajunge la doar 20%. Elementele de film sunt mai progresive.

Modul fotoconversie

Sursa de alimentare este conectată la circuit cu polaritate inversă, fotodioda intră în acest caz, servește ca senzor de lumină.

Parametrii de bază

Proprietățile fotodiodelor sunt determinate de următoarele caracteristici:

• Volt-amper. Determină modificarea mărimii curentului luminos în conformitate cu tensiunea în schimbare, cu un flux stabil de lumină și curent întunecat
• Spectral. Caracterizează efectul lungimii de undă luminii asupra curentului foto
• Constanta de timp este perioada în care curentul răspunde la o creștere a întunericului sau a iluminării cu 63% din valoarea setată.
• Pragul de sensibilitate - fluxul luminos minim la care reacționează dioda
• Rezistența la întuneric este un indicator caracteristic unui semiconductor în absența luminii
• Inerţie

În ce constă o fotodiodă?

Tipuri de fotodiode

P-i-n

Acești semiconductori se caracterizează prin prezența zona p-n tranziția unei secțiuni care are propria conductivitate și o valoare semnificativă a rezistenței. Când lumina atinge această zonă, apar perechi de găuri și electroni. Câmpul electric din această regiune este constant, nu există încărcătură spațială. Un astfel de strat auxiliar extinde domeniul de frecvență de operare al semiconductorului. În funcție de scopul lor funcțional, fotodiodele p-i-n sunt împărțite în detector, amestecare, parametrice, limitare, multiplicare, reglare și altele.

Avalanşă

Această specie este foarte sensibilă. Funcția sa este de a converti fluxul luminos într-un semnal electric, amplificat cu ajutorul efectului de multiplicare a avalanșei. Poate fi folosit în condiții de flux luminos scăzut. Fotodiodele de avalanșă folosesc superrețele pentru a reduce interferența în timpul transmisiei semnalului.

Cu bariera Schottky

Este format dintr-un metal și un semiconductor, în jurul joncțiunii cărora se creează un câmp electric. Principala diferență față de fotodiodele convenționale de tip p-i-n este utilizarea purtătorilor de sarcină primari, mai degrabă decât suplimentari.

Cu heterostructură

Format din doi semiconductori cu benzi interzise diferite. Stratul situat între ele se numește eterogen. Prin selectarea unor astfel de semiconductori, este posibil să se creeze un dispozitiv care să funcționeze în întreaga gamă de lungimi de undă. Dezavantajul său este complexitatea ridicată a producției.

Aplicații ale fotodiodelor

• Optoelectronice circuite integrate. Semiconductorii oferă comunicare optică, care garantează izolarea galvanică eficientă a circuitelor de putere și control, menținând în același timp comunicarea funcțională.
• Fotodetectoare cu mai multe elemente - scanistoare, dispozitive fotosensibile, matrice fotodiode. Elementul optoelectric este capabil să perceapă nu numai caracteristicile de luminozitate ale unui obiect și schimbarea acestuia în timp, ci și să creeze o imagine vizuală completă.

Alte domenii de utilizare: linii de fibră optică, telemetru laser, instalatii de tomografie cu emisie de pozitroni.

Alte materiale pe tema

Anatoly Melnik

Specialist în domeniul electronicii radio și componente electronice. Consultant pentru selectia pieselor la RadioElement.

Fotodiodă simplă este o diodă semiconductoare convențională, care oferă posibilitatea expunerii la radiații optice la joncțiunea p–n.

Într-o stare echilibrată, când nu există 100% nici un flux de radiație, concentrația purtătorului, dispersia potențialului și diagrama benzii de energie a fotodiodei sunt 100% în concordanță cu structura p-n obișnuită.

Când sunt expuse la radiații într-o direcție perpendiculară pe planul joncțiunii p-n, ca urmare a absorbției fotonilor cu o energie mai mare decât lățimea zonei ilegale, perechile electron-gaură apar în regiunea n. Acești electroni și găuri se numesc purtători foto.

Când fotopurtătorii difuzează adânc în regiunea n, majoritatea electronilor și găurilor nu au timp să se recombine și să atingă limita joncțiunii p–n. Aici fotopurtătorii sunt împărțiți de câmpul electronic al joncțiunii p–n, în timp ce găurile se deplasează în regiunea p, iar electronii nu pot depăși câmpul de tranziție și se acumulează la limita joncțiunii p–n și a regiunii n. .

Astfel, curentul prin joncțiunea p–n se datorează derivei purtătorilor minoritari – găuri. Curentul de deriva al fotopurtătorilor se numește fotocurent.

Fotopurtători - găurile încarcă regiunea p pozitiv în raport cu regiunea n, iar fotopurtătorii - electroni - încarcă regiunea n negativ în raport cu regiunea p. Diferența de potențial rezultată se numește photoEMF Eph. Curentul generat în fotodiodă este invers, este orientat de la catod la anod, iar valoarea lui este mai mare, cu cât iluminarea este mai mare.

Fotodiodele pot funcționa în unul dintre cele două moduri - fără o sursă externă de energie electronică (mod fotogenerator) sau cu o sursă externă de energie electronică (mod fotoconvertor).

Fotodiodele care funcționează în modul fotogenerator sunt adesea folosite ca surse de energie care modifică energia radiației solare în energie electronică. Sunt numiti celule solareși fac parte din bateriile solare utilizate pe nave spațiale și sateliți.

Eficiența pieselor solare din siliciu este de aproximativ 20%, dar pentru piesele solare cu film poate fi semnificativ mai mare. Necesar parametrii tehnici celulele solare sunt o chestiune de puterea lor de ieșire în raport cu masa și suprafața ocupată baterie solară. Aceste caracteristici ating valori de 200 W/kg, respectiv 1 kW/m2.

Când fotodioda funcționează în modul de fotoconversie, sursa de alimentare E este conectată la circuit în direcția de blocare (Fig. 1, a). Ramurile inverse ale caracteristicilor curent-tensiune ale fotodiodei sunt utilizate la diferite niveluri de iluminare (Fig. 1, b).

Orez. 1. Schema de circuit pentru pornirea unei fotodiode în modul de fotoconversie: a — circuit de comutare, b — caracteristica curent-tensiune a fotodiodei.

Curentul și tensiunea pe rezistorul de sarcină Rn pot fi determinate grafic din punctele de intersecție ale caracteristicilor I-V ale fotodiodei și banda de sarcină corespunzătoare rezistenței rezistorului Rn. În absența iluminării, fotodioda funcționează în modul unei diode convenționale. Curentul de întuneric pentru fotodiodele cu germaniu este de 10 - 30 µA, pentru fotodiodele cu siliciu este de 1 - 3 µA.

Dacă în fotodiode se utilizează o defalcare reversibilă a electronilor, însoțită de o multiplicare avalanșă a purtătorilor de sarcină, ca în diodele zener semiconductoare, atunci fotocurentul și, prin urmare, sensibilitatea, va crește semnificativ.

Sensibilitate fotodiode de avalanșă poate fi de câteva ordine de mărime mai mare decât cea a fotodiodelor convenționale (pentru germaniu - de 200 - 300 de ori, pentru siliciu - de 104 - 106 ori).

Fotodiodele avalanșă sunt dispozitive fotovoltaice de mare viteză, spectrul lor de frecvență poate ajunge la 10 GHz. Dezavantajul fotodiodelor de avalanșă este că sunt mai multe cel mai înalt nivel zgomot în comparație cu fotodiodele convenționale.

Orez. 2. Schema circuitului pentru conectarea unui fotorezistor (a), UGO (b), energie (c) și proprietăți curent-tensiune (d) ale fotorezistorului.

Pe lângă fotodiode, se folosesc fotorezistoare (Figura 2), fototranzistoare și fototiristoare, care utilizează efectul fotoelectric intern. Dezavantajul lor corespunzător este cea mai mare inerție (frecvența limită de operare fgr

Designul unui fototranzistor este similar cu un tranzistor obișnuit, care are o fereastră în carcasă prin care baza poate fi iluminată. Fototranzistor UGO - un tranzistor cu 2 săgeți îndreptate spre el.

LED-urile și fotodiodele sunt adesea folosite în perechi. În același timp, acestea sunt plasate într-o singură carcasă, astfel încât zona fotosensibilă a fotodiodei să fie situată vizavi de zona de emisie a LED-ului. Dispozitive semiconductoare, folosind perechi LED-fotodiodă, sunt numite optocuple (Fig. 3).

Orez. 3. Optocupler: 1 – LED, 2 – fotodioda

Circuitele de intrare și ieșire din astfel de dispozitive nu sunt conectate electric în niciun fel, deoarece semnalul este transmis prin radiație optică.

Lucrare de laborator nr 16

Studiu fotodiode

Ţintă: Familiarizați-vă cu principiul de funcționare, proiectare, caracteristici și aplicare a fotodiodelor semiconductoare.

Dispozitive și accesorii: fotodioda cu germaniu FD-7G, suport pentru masurarea caracteristicilor curent-tensiune ale diodelor, banc optic cu iluminator, sursa de alimentare, osciloscop.

Introducere teoretică

Fotodiodă este o diodă semiconductoare care este sensibilă la lumină și concepută pentru a converti fluxul luminos (radiația optică) într-un semnal electric.

Principiul de funcționare nu este diferit de un fotoconvertor energie solară, fotodiodele au propriile lor caracteristici de proiectareși caracteristici care sunt determinate de scopul lor.

Fotodiodele sunt destinate utilizării ca receptori și senzori de radiații optice (de obicei vizibile și infraroșii) ca parte a echipamentelor și diferitelor dispozitive care utilizează radiații vizibile și infraroșii.

Funcționarea fotodiodelor se bazează pe fenomenul efectului fotoelectric intern, în care, sub influența luminii, în semiconductor apar electroni suplimentari (neechilibru) și găuri, creând un fotocurent sau fotovoltaj.

1. Principiul de funcționare al fotodiodelor cu joncțiune p-n.În fotodiode, elementul fotosensibil este regiunea de tranziție - o joncțiune p-n, situată între regiunile cu conductivitate electronică și orificiu (Fig. 1).

Formarea unei joncțiuni p-n. Un semiconductor de tip n conține un anumit număr de atomi de impurități de tip donator, care sunt aproape toți ionizați la temperatura camerei. Astfel, într-un astfel de semiconductor există n electroni liberi și același număr de ioni de impurități donatori imobili încărcați pozitiv.

Într-un semiconductor orificiu (semiconductor de tip p) se realizează situație similară. Conține p o găuri libere și același număr de ioni încărcați negativ ai atomilor acceptori. Principiul formării joncțiunii pn este prezentat în Fig. 1.

Când regiunile p și n intră în contact în ele, datorită prezenței unui gradient de concentrație de electroni și găuri, un flux de difuzie de electroni ia naștere de la un semiconductor de tip n la un semiconductor de tip p și, invers, un fluxul de găuri de la un semiconductor p la un semiconductor n. Electronii transferați din regiunea n în regiunea p se recombină cu găuri din apropierea interfeței. Găurile se recombină în mod similar, deplasându-se din regiunea p în regiunea n. Ca rezultat, practic nu există purtători de sarcină liberi (electroni și găuri) în apropierea joncțiunii p-n.

Astfel, pe ambele părți ale joncțiunii p-n se formează un strat dublu încărcat format din ioni de impurități staționare (alte denumiri sunt strat de epuizare sau regiune de încărcare spațială (SCR), strat de blocare), creând un câmp electric puternic. Câmpul electric al stratului de blocare este direcționat din regiunea n către regiunea p și contracarează procesul de difuzie a purtătorilor majoritari de sarcină din regiunile îndepărtate de joncțiunea p-n către regiunea de epuizare. Această stare este de echilibru și, în absența perturbărilor externe, poate exista la infinit.

Orez. 1 – Educație joncțiune pn Orez. 2

Principiul de funcționare al unei fotodiode. Radiația optică (lumina) absorbită într-o structură semiconductoare cu o joncțiune p-n creează perechi electron-gaură libere cu condiția ca energia fotonului hν să depășească banda interzisă a semiconductoarelor De exemplu.

Electronii liberi și găurile apar atât în ​​regiunile p și n ale tranziției, cât și în imediata apropiere a stratului de blocare. Câmpul electric existent în stratul de blocare (câmpul joncțiunii p-n) separă purtătorii de sarcină liberi creați de lumină, în funcție de semnul lor, în diferite părți ale fotodiodei: electronii liberi se deplasează în regiunea n a joncțiunii și găurile se deplasează în regiunea p, ceea ce duce la încărcarea acestor regiuni (Fig. 2).

Când este iluminat, găurile se acumulează în regiunea p, încărcându-l pozitiv. Electronii se acumulează în regiunea n, încărcându-l negativ. Prin urmare, între ele apare o diferență de potențial.

În acest caz, sunt posibile două moduri de funcționare ale dispozitivului: în circuite cu o sursă de alimentare externă și fără ea. Modul de funcționare al unei fotodiode cu o sursă de alimentare externă se numește fotodiodă, iar fără o sursă de alimentare externă - modul fotovoltaic (un alt nume este modul fotovoltaic).

Modul de generare.În acest caz, nu se aplică nicio tensiune externă la joncțiune și circuitul este deschis. Iluminarea duce la acumularea de fotoelectroni în regiunea n și găuri în regiunea p. Ca rezultat, se formează o diferență de potențial U f (deseori numită „tensiune

Orez. 3 Fig. 4 – Caracteristicile curent-tensiune ale fotodiodei

la diferite fluxuri de lumină (F 1< Ф 2 < Ф 3).

ralanti U xx "), adică apare fototensiune. Acumularea de electroni și găuri în exces nu are loc fără limită. Concomitent cu creșterea concentrației de găuri în regiunea găurilor și a electronilor în câmp electronic bariera de potențial a tranziției scade cu cantitatea de fototensiune și difuzia purtătorilor majoritari de sarcină are loc prin joncțiunea p-n. Echilibrul dinamic se instalează.

Când o sarcină R n este conectată la bornele externe ale fotodiodei, în circuitul acesteia va apărea un curent (Fig. 3). În circuitul extern, fotocurentul este direcționat din regiunea p către regiunea n. În astfel de condiții, fotodioda funcționează ca un convertor al energiei radiației în energie electrică.

Caracteristica curent-tensiune a unei joncțiuni p-n iluminate. Caracteristica curent-tensiune a joncțiunii p-n sub iluminare poate fi scrisă urmatoarea forma:

, (1)

unde I n este curentul de saturație în întuneric; I f - fotocurent, adică curentul creat de purtătorii de sarcină excitați de lumină și care trece prin joncțiunea p-n; U este tensiunea externă la joncțiune.

În fig. Figura 4 prezintă grafice ale dependențelor curent-tensiune pentru diferite fluxuri de lumină F. În absența iluminării (I f = 0), caracteristica curent-tensiune (întunecată) trece prin originea coordonatelor. Curbele rămase, corespunzătoare anumitor fluxuri de lumină, sunt deplasate de-a lungul axei ordonatelor (axa curentului) cu segmente egale cu puterea fotocurentului - I f. Din expresia (1) este clar că atunci când este pornit din nou (U< 0) и при

(qU >> kT) curent prin joncțiunea I = - (I n + I f).

Părți din curbele situate în al treilea cadran corespund modului de funcționare a fotodiodei): părți ale curbelor situate în al patrulea cadran corespund modului de generare a fototensiunii.

Dacă puterea curentului în circuitul extern este I = 0 (circuitul este deschis), atunci din expresia (1) puteți găsi tensiunea circuitului deschis U f.

Dacă fotodioda în modul generare este pornită circuit extern cu rezistență scăzută, atunci fotoelectronii din regiunea n nu se acumulează și U f = 0. Și deoarece nu există tensiune externă, în circuit circulă un curent I = - I f, numit adesea curent scurt-circuitși direct proporțional cu fluxul luminos I f ~ F.

Orez. 5 – Diagrama bloc fotodiodă și circuit

pornirea acestuia când funcționează în modul fotodiodă: Fig. 6

1 - cristal semiconductor; 2 - contacte;

3 - concluzii; F - flux electromagnetic

radiații; n şi p - regiuni ale semiconductorului;

E - sursa de curent continuu; R n - sarcină.

Modul fotodiodă.În acest mod, este furnizată joncțiunea p-n tensiune inversă

(regiunea p este conectată la minusul sursei de tensiune, iar regiunea n la plusul sursei; Fig. 5). Circuitul include și o rezistență de sarcină (rezistor) R n. În acest caz, joncțiunea are o rezistență enormă și un curent invers slab trece prin ea (curent de saturație în întuneric I n). Când o fotodiodă este iluminată, curentul prin ea crește brusc datorită apariției unui fotocurent și poate depăși semnificativ curentul de întuneric In (Fig. 4). Căderea de tensiune pe rezistența de sarcină Rn se modifică în consecință. La făcând alegerea corectă sursa de tensiune și rezistența externă R și mărimea semnalului electric (tensiunea pe rezistor) pot fi mari și, prin urmare, fotodiodele sunt utilizate pe scară largă pentru înregistrarea și măsurarea semnalelor luminoase.

Curentul prin fotodiodă este determinat în principal de fluxurile de purtători minoritari de sarcină neechilibrați (electroni din regiunea p și găurile din regiunea n) care apar în timpul iluminării și nu depinde de tensiune, adică are caracterul de un curent de saturație. Prin urmare, în modul fotodiodă există o dependență liniară strictă a fotocurentului de iluminare până la foarte valori mari

iluminare Acesta este un avantaj important al fotodiodelor.

Pentru a înregistra semnale optice variabile (fluxuri de lumină), circuitul prezentat în Fig. 6. Modificarea fluxului de lumină incident pe fotodiodă determină o componentă de curent alternativ în circuit, care repetă modificările intensității luminii. Și aceleași modificări de tensiune apar pe rezistorul Rn, care este furnizat la intrarea sistemului de înregistrare. Pentru a separa (nu pierde) componenta de curent continuu a tensiunii peste rezistor, un condensator de decuplare C este amplasat în circuitul de semnal. 2. Tehnologia de fabricație și design.

Pentru fabricarea joncțiunilor p-n în producția de fotodiode, se utilizează metoda de fuziune și difuzie a impurităților. Atenția principală este acordată adâncimii de locație a joncțiunii p-n în raport cu

Fig. 7 – Proiectarea muşcatei Fig. 8 – Caracteristici spectrale

fotodioda FD-1. germaniu (1) și fotodiode de siliciu (2). suprafața iluminată a cristalului, deoarece determină inerția (viteza) fotodiodei. Figura 7 prezintă proiectarea fotodiodei cu germaniu FD-1 in. O placă rotundă 1, tăiată dintr-un singur cristal de germaniu cu conductivitate electrică de tip n, este fixată cu ajutorul unui suport de cristal 2 într-o carcasă kovar 3. Plumbul 4 de la un electrod de indiu topit în germaniu este trecut printr-un tub kovar 5, fix. cu un izolator de sticlă 6 în piciorul carcasei 7. Altul Electrodul este corpul fotodiodei în sine, deoarece cristalul de germaniu este lipit de suportul de cristal cu un inel de staniu 8. În corpul fotodiodei există un orificiu rotund acoperit de un lentila de sticlă 9, care colectează fluxul de lumină pe suprafața limitată a plăcii de germaniu. Pentru a proteja joncțiunea p-n de influență mediu Carcasa fotodiodei este sigilată.

Unele tipuri de fotodiode au o carcasă din plastic. Materialul unei astfel de carcase și ferestrele din carcasa metalică sunt alese astfel încât să fie transparente pentru acea parte a spectrului (radiația) la care această fotodiodă ar trebui să fie sensibilă. Deci, pentru dispozitivele cu germaniu, aceasta este lumină vizibilă și radiație infraroșie cu unde scurte.

Materiale Ge, Si, GaAs, HgCdTe și alți compuși semiconductori sunt utilizați pentru a face fotodiode.

Principalele caracteristici și parametri ai fotodiodelor

- Sensibilitate S - un parametru care reflectă modificarea semnalului electric (curent sau tensiune) la ieșirea fotodiodei atunci când este iluminată.

Măsurat cantitativ prin raportul de schimbare caracteristici electrice(curent I f sau tensiune U f), dus la ieșirea fotodiodei, la fluxul de radiație F incident pe dispozitiv.

S I = I f / F- sensibilitate la curent, S v = U f / F- sensibilitatea la tensiune.

- Pragul de sensibilitate F p– valoarea fluxului luminos minim înregistrat de fotodiodă, pe unitatea de bandă de frecvență de funcționare.

- constanta de timp τ, care caracterizează inerția dispozitivului, adică viteza acestuia.

Acesta este timpul în care fotocurentul fotodiodei se modifică după iluminare sau după întunecarea fotodiodei de e ori în raport cu valoarea în regim stabil.

Pentru fotodiodele cu o joncțiune pn este de 10 -6 – 10 -8 s.

- Rezistență la întuneric RT– rezistența fotodiodei în absența iluminării.

- Caracteristica spectrală– dependența fotocurentului de lungimea de undă λ a luminii incidente pe fotodiodă. Pentru fotodiodele cu germaniu și siliciu, caracteristicile spectrale sunt prezentate în Fig. 8. Lungimea de undă la care apare sensibilitatea maximă este de aproximativ λ max = 800 – 900 nm pentru fotodiodele cu siliciu pentru fotodiodele cu germaniu este la λ max = 1500 – 1600 nm.

- Caracteristica curent-tensiune- dependenta curentului luminos de tensiune la un flux luminos constant.

- Caracteristica luminii - dependența fotocurentului de iluminare.

Alți parametri sunt afișați în tabel.

Condiţional denumire grafică fotodiodele sunt prezentate în Fig. 9, fotografiile unor fotodiode sunt prezentate în Fig. 10.

Orez. 9 Fig.10

4. Aplicarea fotodiodelor. Fotodiodele moderne au cea mai bună combinație de parametri de bază:

1. Sensibilitate ridicată la semnale optice;

2. Performanță ridicată;

3. Tensiune scăzută de funcționare;

4. Dependență liniară fotocurent de la iluminare în gamă largă iluminare.

5. Nivel scăzut zgomot;

6. Simplitatea dispozitivului.

Prin urmare, ele sunt utilizate pe scară largă în dispozitivele de automatizare, tehnologia computerului și laser și liniile de comunicație cu fibră optică.

ÎN viata de zi cu zi Fotodiodele sunt utilizate în dispozitive precum cititoarele de CD-uri, camere moderne, diverse dispozitive tactile.

De exemplu, fotodiodele cu infraroșu sunt folosite în telecomandă telecomanda, securitate, securitate și sisteme de automatizare.

Există fotodiode cu raze X folosite pentru înregistrare radiatii ionizanteși particule de înaltă energie. Una dintre aplicațiile importante este în dispozitive medicale, de exemplu în instalaţiile pentru tomografie computerizată.

A face treaba

Sarcina 1. Măsurare caracteristicile curent-tensiune fotodiodă în absența luminii (în întuneric).