Фотодиоды принцип работы основные характеристики

Классификация[править | править код]

Достоинства:

1) есть возможность обеспечения чувствительности в длинноволновой части спектра за счет изменения ширины i-области.

2) высокая чувствительность и быстродействие

3) малое рабочее напряжение U_раб

Недостатки:

сложность почучения высокой чистоты i-области

Фотодиод Шоттки (фотодиод с барьером Шоттки)
Структура металл-полупроводник. При образовании структуры часть электронов перейдет из металла в полупроводник p-типа.

Лавинный фотодиод
В структуре используется лавинный пробой. Он возникает тогда, когда энергия фотоносителей превышает энергию образования электронно-дырочных пар. Очень чувствительны. Для оценки существует коффициент лавинного умножения:

M=IΦIΦ0M=\frac {I_\Phi}{I_{\Phi_0}}
M=11−(UUpr)mM=\frac {1}{1-\left(\frac {U}{U_{pr}}\right)^m}
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:

qλ=3Ig2q\lambda=\frac {3I_g}{2}
2) Ширина области пространственного заряда должна быть существенно больше, чем длина свободного пробега:

W>>λW >> \lambda
Значение коэффициентов внутреннего усиления составляет M=10-100 в зависимости от типа фотодиодов.

Фотодиод с гетероструктурой
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 полупровоников с различной шириной запрещенной зоны можно перекрыть весь диапазон длин волн. Недостаток — сложность изготовления.

Применение фотодиодов в оптоэлектронике[править]

Фотодиод является составным элементом во многих сложных оптоэлектронных устройствах, поэтому он находит широкое применение во многих областях.

В оптоэлектронных интегральных микросхемах фотодиод может обладать большим быстродействием, но его коэффициент усиления фототока не превышает единицы. Благодаря наличию оптической связи оптоэлектронные интегральные микросхемы обладают рядом существенных достоинств. Почти идеальная гальваническая развязка управляющих цепей при сохранении между ними сильной функциональной связи.

Многоэлементные фотоприемники — это приборы сканистор, мишень кремникона, фотодиодная матрица с управлением на МОП-транзисторе, фоточувствительные приборы с зарядовой связью и другие. Они относятся к числу наиболее быстро развивающихся и прогрессирующих изделий электронной техники. Сочетая в себе успехи физики дискретных фотоприемников и новейшие технологические достижения больших интегральных схем, многоэлементные фотоприемники вооружают оптоэлектронику твердотельным «глазом», способным реагировать не только на яркостно-временные, но и на пространственные характеристики объекта, то есть воспринимать его полный зрительный образ. Для успешного выполнения этих функций необходимо, чтобы число элементарных фоточувствительных ячеек в приборе было достаточно большим, поэтому кроме всех проблем дискретного фотоприемника (чувствительность, быстродействие, спектральная область) приходится решать и проблему считывания информации. Все многоэлементные фотоприемники представляют собой сканирующие системы, то есть устройства, позволяющие производить анализ исследуемого пространства путем последовательного его просмотра (поэлементного разложения). Принцип восприятия образов этими системами сводится к следующему. Распределение яркости объекта наблюдения превращается в оптическое изображение и фокусируется на фоточувствительную поверхность. Здесь световая энергия переходит в электрическую, причем отклик (ток, заряд, напряжение) пропорционален освещенности. Яркостная картина преобразуется в электрический рельеф. Схема сканирования производит периодический последовательный опрос каждого элемента и считывание содержащейся в нем информации. В конечном счете, на выходе устройства мы получаем последовательность видеоимпульсов, в которой закодирован воспринимаемый образ.
При создании многоэлементных фотоприемников стремятся обеспечить наилучшее выполнение ими функций преобразования и сканирования.

Фотодиоды активно используются в оптронах, оптоэлектронныых приборах, в которых имеются источник и приемник излучения с тем или иным видом оптической и электрической связи между ними, конструктивно объединенные и помещенные в один корпус. В электронной схеме оптрон выполняет функцию элемента связи, в одно из звеньев которого информация передается оптически. Это основное назначение оптрона. Если между компонентами оптрона создать электрически обратную связь, то оптрон может стать активным прибором, пригодным для усиления и генерации электрических и оптических сигналов. Принципиальное отличие оптронов как элементов связи заключается в использовании для переноса информации электрически нейтральных фотонов, что обуславливает ряд достоинств оптронов, которые присущи и всем остальным оптоэлектронным приборам в целом. Хотя у оптронов есть, разумеется, и свои недостатки.

В повседневной жизни фотодиоды используются в таких приборах, как устройства чтения компакт-дисков, пультах дистанцианного управления, фотокамерах, различных сенсорных устройствах, использующих данную технологию. Одно из важных применений — в медицинских приборах, в частности — в устройствах для проведения компьютерной томографии.

Чувствительные элементы фотореле

Фотоны не обладают зарядом, но возбуждают ионы в атомной структуре веществ и порождают вторичное излучение, сопровождающееся двумя эффектами:

• Волновыми колебаниями на видимой нами частоте спектра.
• Возникновением электрического тока.

Последний феномен наблюдается только в том случае, если вещество обладает так называемой запрещенной зоной – энергетическим диапазоном, в пределах которого электрон не может активироваться – определенного размера.

Для примера: у металлов (проводников) такой зоны нет. А у диэлектриков она настолько велика (не менее 5 электронвольт), что электроны в них не могут активироваться никогда. Промежуточное положение между ними занимают так называемые полупроводники. Величина запрещенной зоны у них от десятых долей до трех электронвольт.

К веществам, которые способны активироваться под воздействием потока фотонов, относятся селенид и сульфид кадмия. На их основе строятся все чувствительные элементы фотореле, которые бывают трех типов:

• Фоторезисторы.
• Фотодиоды.
• Фототранзисторы.

Фоторезисторы

Эти элементы радиотехнической схемы делают из полупроводников с одним типом проводимости – электронным (p) или дырочным (n). Под действием света их электрическое сопротивление уменьшается, они начинают пропускать ток. Этот сигнал поступает на входной каскад транзисторного усилителя, после чего он подается на соленоид силового реле, коммутирующего управляемую цепь.

Фоторезисторы являются наиболее простым и потому часто употребляемым элементом чувствительных схем.

Фотодиоды

Состоят из двух полупроводников – электронного и дырочного типа. Под воздействием света электроны накапливаются в зоне n, а так называемые дырки (положительно заряженные ионы) в зоне p. В результате возникает разность потенциалов и начинает течь постоянный ток. Этот элемент может работать в двух режимах: фотогальваническом и фотодиодном.

Схема включения фотодиода (ФД) в гальваническом и диодном режиме представлена на рисунке ниже.

В первом случае к нему не подводится питающее напряжение и он сам является источником тока. Это свойство используется при создании солнечных батарей, состоящих из сотен и даже тысяч светодиодов. Во втором подается напряжение обратной полярности, которое его запирает. При облучении светом обратное сопротивление элемента резко падает, а сила тока, через него текущего, наоборот, возрастает.

Фототранзисторы

Бывают двух типов: n-p-n и p-n-p, что определяет направление тока, через него текущего. От обычного транзистора отличается не только открытым корпусом, но и отсутствием третьего вывода – базы. Этот элемент делается большего размера, поскольку он воспринимает световое излучение, которое является управляющим.

Может работать в двух режимах: фотоэлектрическом и усилителя. В первом случае коллектору питающее напряжение не подводится, а ток через него возникает вследствие воздействия света на базу. Коэффициент усиления имеет логарифмическую зависимость от силы света и измеряется в децибелах.

Фототок

Основной выходной сигнал фотодиода – это ток, который течет через устройство от катода к аноду и приблизительно линейно пропорционален освещенности (однако имейте в виду, что на величину фототока также влияет длина волны падающего света – подробнее об этом в следующей статье). Для дальнейшей обработки сигнала этот фототок преобразуется в напряжение с помощью последовательно включенного резистора или преобразователя ток→напряжение на операционном усилителе.

Детали связи света и тока фотодиода будут варьироваться в зависимости от условий смещения диода. В этом суть различия между фотоэлектрическим и фотопроводящим режимами: в фотоэлектрической реализации схема, окружающая фотодиод, поддерживает анод и катод под одним и тем же потенциалом; другими словами, диод имеет нулевое смещение. В фотопроводящей реализации схема, окружающая фотодиод, создает обратное смещение, что означает, что катод находится под более высоким потенциалом, чем анод.

Что это такое и где применяется

Фототранзистор – это полупроводниковый прибор оптоволоконного типа, который используется для управления электрическим током при помощи определенного оптического излучения. Эти устройства разработаны на базе обычного транзистора. Их современными аналогами являются фотодиоды, но фототранзисторы лучше подходят для многих современных радио и электронных приборов. По принципу действия, они напоминают также фоторезисторы.

Фото — фототранзистор

В отличие от фотодиодов, у этих полупроводников более высокая чувствительность.

Где используется фототранзистор:

1. Охранные системы (в основном, используются ИК-фототранзисторы);
2. Кодеры;
3. Компьютерные логические системы управления;
4. Фотореле;
5. Автоматическое управление освещения (здесь также используется инфракрасный фото-полупроводник);
6. Датчики уровня и системы подсчета данных.

Нужно отметить, что из-за диапазона Вольт гораздо чаще в подобных системах используются фотодиоды, но фототранзисторы имеют несколько существенных преимуществ:

1. Могут производить больший ток, чем фотодиоды;
2. Эти радиодетали сравнительно очень дешевые;
3. Могут обеспечить мгновенный высокий ток на выходе;
4. Главным достоинством приборов является то, что они могут обеспечить высокое напряжение, чего, к примеру, не сделают фоторезисторы.

При этом данный аналог светодиода имеет существенные недостатки, что делает фототранзистор довольно узкоспециализированной деталью:

1. Многие полупроводниковые устройства выполнены из силикона, они не способны обрабатывать напряжение свыше 1000 вольт.
2. Данные радиодетали очень чувствительны к перепадам напряжения в локальной электрической сети. Если диод не перегорит от скачка напряжения, то транзистор, скорее всего, не выдержит испытания;
3. Фототранзистор не подходит для использования в лампах из-за того, что не позволяет быстро двигаться направленным заряженным частицам.

Фотодиоды: принцип работы

В электротехнике широко используются различные приборы и устройства, связанные с особенностями и физическими свойствами материалов. Среди них особое место занимают фотодиоды, принцип работы которых основан на воздействии оптического излучения. В результате, материал изменяет свои качества, что позволяет ему выполнять различные функции в электрических цепях.

Принцип действия фотодиода

Простой фотодиод является обыкновенным полупроводниковым диодом с р-п-переходом, на который оказывает действие оптическое излучение. При полном отсутствии светового потока, диод находится в состоянии равновесия и обладает обычными свойствами.

Действие излучения направлено перпендикулярно относительно плоскости, где расположен р-п-переход. Энергия, с которой поглощаются фотоны, превышает ширину запрещенной зоны, что приводит к возникновению электронно-дырочных пар. Данные пары, состоящие из электронов и дырок, получили наименование фотоносителей.

Когда фотоносители проникают внутрь п-области, электроны и дырки, в основной массе не успевают распадаться на составляющие и подходят непосредственно к границе р-п-перехода. В этом месте происходит разделение фотоносителей с помощью электрического поля.

В результате, дырки попадают в р-область. Электроны же не в состоянии пройти через поле, окружающее переход, поэтому начинается их скапливание возле п-области и у границы перехода. Таким образом, прохождение тока через переход полностью зависит от движения дырок.

Данный вид тока с участием фотоносителей получил название фототока.

Под воздействием фотоносителей-дырок в р-области по отношению к п-области возникает положительный заряд. Таким же образом, п-область заряжается отрицательно относительно р-области. Происходит возникновение разности потенциалов, именуемой фото-ЭДС.

  Ток, сгенерированный в фотодиоде, имеет обратное значение и направление от катода к аноду. Величина этого тока возрастает в зависимости от увеличения степени освещенности. Работа фотодиодов может осуществляться в двух режимах. В первом случае используется фотогенераторный режим, не предусматривающий внешний источник электроэнергии.

В режиме фотопреобразователя необходимо использование внешнего источника электроэнергии.

Режим фотогенератора позволяет использовать фотодиоды как источники питания, преобразующие солнечное излучение в электрическую энергию. Они используются в качестве элементов солнечной батареи. Коэффициент полезного действия элементов на основе кремния составляет примерно 20%. КПД у пленочных конструкций может быть значительно выше.

В работе фотодиодом нередко используется свойство обратимого электрического пробоя. В результате, количество носителей заряда умножается лавинообразно, по аналогии с полупроводниковыми стабилитронами. Происходит значительный рост фототока и чувствительности фотодиодов. Данное значение превышает обычные параметры в сотни раз.

Частота лавинных фотодиодов достигает величины до 10 ГГц, что позволяет использовать их в качестве быстродействующих фотоэлектрических приборов. Единственным недостатком этих устройств является повышенный уровень шума. Фотодиоды очень часто используются в паре со светодиодами.

Электрические связи совершенно не касаются входных и выходных цепей, поскольку сигналы передаются путем оптического излучения.

Характеристики фотодиодов

Если рассматривать в целом непосредственно фотодиоды, принцип действия и другие параметры этих устройств, следует отметить то, как выходная мощность соотносится с общей массой и площадью солнечной батареи. Максимальное значение этих параметров может достигать соответственно 200 ватт на 1 кг и 1 киловатт на 1 м2.

Кроме того, значение имеет вольт-амперная характеристика, в которой выходное напряжение зависит от выходного тока. Значение спектральных характеристик показывает соотношение фототока и величины световых волн, падающих на фотодиод. Максимальное значение данного параметра находится в прямой зависимости от того, насколько возрастает коэффициент поглощения.

Фототок и освещенность определяют световую характеристику фотодиода. Обе величины имеют между собой прямую пропорциональную зависимость.

Эта величина представляет временной отрезок, на протяжении которого происходят изменения после того как фотодиод освещен или затемнен. Показатель соотносится с установленным значением.

Фотодиод также характеризуется в соответствии с сопротивлением при отсутствии освещения и другими параметрами, определяющими его работоспособность и область практического применения.

Характеристики фотодиодов для выбора

Параметры фотодиода можно найти в их спецификации в сети. Рассмотрим, по каким позициям подбираются детали

Следует сказать, что для несложных целей (реле освещенности, ИК-приемник) указанные ниже характеристики можно не брать во внимание, достаточно купить рекомендованное изделие для конкретной сборки

Вольтамперные качества, определяющие изменения значений светового потока согласно меняющемуся напряжению при стабильном потоке излучения и темновом токе. Ниже стандартная диаграмма ВАХ фотодиода.

Спектральные качества (чувствительность). Отображают как протяженность волны света, угол падения лучей меняют характеристики фототока на разных полупроводниках.

Чувствительность может измеряться при разных параметрах света:

Световая или энергетическая характеристика. Объяснена на рисунке ниже:

Временная постоянная. Период, за который происходит реагирование тока на увеличение/уменьшение затемнения, освещенности на 63 % от установленной величины.

Нижний предел чувствительности. Минимум интенсивности света для возникновения реакции фотодиода.

Темновое сопротивление. Характеризует состояние полупроводника при отсутствии света, это вольт-амперная характеристика при отсутствии излучения.

Инерционность:

Указанные выше основные характеристики используют для подбора фотодиодов к параметрам нагрузки:

Основные параметры

Свойства фотодиодов определяют следующие характеристики:

• Вольтамперная. Определяет изменение величины светового тока в соответствии с меняющимся напряжением при стабильных потоке света и темновом токе
• Спектральная. Характеризует влияние длины световой волны на фототок
• Постоянная времени – это период, в ходе которого ток реагирует на увеличение затемнения или освещенности на 63% от установленного значения
• Порог чувствительности – минимальный световой поток, на который реагирует диод
• Темновое сопротивление – показатель, характерный для полупроводника при отсутствии света
• Инерционность

Характеристики фоторезисторов

Итак, у фоторезисторов есть основные характеристики, на которые обращаются внимание при выборе:

• Темновое сопротивление. Как понятно из названия – это сопротивление фоторезистора в темноте, то есть при отсутствии светового потока.
• Интегральная фоточувствительность – описывает реакцию элемента, изменение тока через него на изменение светового потока. Измеряется при постоянном напряжении в А/лм (или мА, мкА/лм). Обозначается как S. S=Iф/Ф, где Iф – фототок, а Ф – световой поток.

При этом указывается именно фототок. Это разность между темновым током и током освещенного элемента, то есть той частью, которая возникла из-за эффекта фотопроводимости (то же что и фоторезистивный эффекта).

Примечание: темновое сопротивление конечно же характерно для каждой конкретной модели, например, для ФСК-Г7 – это 5 МОм, а интегральная чувствительность 0,7 А/лм.

Помните, что фоторезисторы обладают определенной инерционностью, то есть его сопротивление изменяется не моментально после облучения световым потоком, а с небольшой задержкой. Этот параметр называется граничная частота. Это частота синусоидального сигнала модулирующего световой поток через элемент, при которой чувствительность элемента снижается в корень из 2 раз (1.41). Быстродействие компонентов обычно лежит в пределах десятков микросекунд (10^(-5)с). Таким образом, использование фоторезистора в схемах, где нужна быстрая реакция ограничено, а часто и неоправданно.

Фоторезисторы и фотодиоды. Устройство, принцип действия

Фоторезисторами называют полупроводниковые приборы, принцип действия которых основан на изменение сопротивления полупроводника под действием светового излучения.

На рис. 7.31 показано устройство фоторезистора, состоящего из диэлектрической подложки 1, выполненной из стекла или керамики, на которую наносится слой полупроводника (сернистый свинец) 2, покрытый защитным лаком. По краям выведены два металлических электрода 3. Фоторезистор крепится в пластмассовом корпусе 4, снабжённым слюдяным или стеклянным окошком 5, через которое проникает световой поток Ф, и выводятся электроды 3.

Рис. 7.31. Устройство фоторезистора

На рис. 7.32 изображена схема подключения фоторезистора ФR к источнику питания E через нагрузочное сопротивление Rн.

Рис. 7.32. Схема подключения фоторезистора к источнику питания

Вольтамперные характеристики фоторезистора приведены на рис.7.33, из которых видно, что при неосвещённом фоторезисторе (), по цепи проходит темновой ток . При этом фоторезистор имеет большое сопротивление, поэтому на нём падает значительное напряжение . Если на фоторезистор направить световой поток, то, в зависимости от освещения, его сопротивление начнёт уменьшаться. Проходящий по цепи фототок , будет равен разности светового и темнового токов . При светововом потоке , световой ток увеличивается до значения . Падение напряжения фоторезистора уменьшиться до значения . При полном освещении , световой ток достигнет значения , напряжение фоторезистора упадёт до значения . Недостатком такого полупроводникового прибора является его инерционность.

Рис. 7.33. Вольтамперные характеристики фоторезистора

К фотодиодам относятся полупроводниковые приборы, у которых область

р-n-перехода подвергается воздействию световой энергии. Рисунок 7.34 поясняет принцип работы светодиода, который имеет два электрода анод А и катод К.

Рис. 7.34. Схема фотогенерации свободных зарядов фотодиода под действием фотонов света

При отсутствии светового потока Ф р-n-переход П заперт. При освещении запирающего р-n-перехода происходит фотогенерация, фотоны света образуют пары электрон-дырка свободных зарядов, при этом свободные электроны переходят в слой n, свободные дырки — в слой p.

Фотодиоды работают в двух режимах: генераторном и преобразовательном. На рис.7.35 изображён фотодиод, работающий в генераторном режиме.

Рис. 7.35. Схема фотодиода, работающего в генераторном режиме

Под действием светового излучения генерируется фотоЭДС (около одного вольта) с полярностью анода (+), катода (-). В режиме короткого замыкания во нешней цепи и между слоями n и р фотодиода проходит максимальный обратный ток при нагрузке . Если включена нагрузка, то фототок уменьшается. В режиме холостого хода при , фотоЭДС , так как фототок будет равен нулю.

Режим работы фотодиода называется генераторным. Фотоэлементы, не требующие источника питания, находят широкое применение в электротехнике и автоматике. В генераторном режиме работают солнечные кремниевые батареи, в которых происходит преобразование солнечной энергии в электрическую энергию.

В режиме преобразователяв цепь фотодиода последовательно с нагрузкой включается источник ЭДС в запирающем (обратном) направлении. На рис.7.36 изображён преобразовательный режим работы фотодиода.

Рис. 7.36. Схема фотодиода, работающего в преобразовательном режиме

Если фотодиод неосвещен, то через него проходит незначительный темновой ток . При освещении запирающего перехода, фотодиод открывается и через него проходит световой ток , величина которого зависит от значения светового потока.

На рис. 7.37 приведены вольтамперные характеристики, поясняющие принцип работы фотодиода в генераторном и преобразовательном режимах.

Рис. 7.37. Вольтамперные характеристики, поясняющие принцип работы фотодиода в генераторном и преобразовательном режимах

Алгоритм поиска неисправности

Визуальный осмотр

Любой ремонт начинается с внешнего осмотра платы

Нужно без приборов просмотреть все узлы и особое внимание обратить на пожелтевшие, почерневшие части и узлы со следами сажи или нагара. При внешнем осмотре вам может помочь увеличительное стекло или микроскоп, если вы работаете с плотным монтажом SMD компонентов

Разорванные детали могут указывать не только на локальную проблему, но и проблему в элементах обвязки этой детали. Например, взорвавшийся транзистор мог за собой утянуть и пару элементов в обвязке.

Не всегда пожелтевшая от температуры область на плате указывает на последствия выгорания детали. Иногда так получается в результате долгой работы прибора, при проверке все детали могут оказаться целыми.

Кроме осмотра внешних дефектов и следов гари стоит и принюхаться, чтобы проверить, нет ли неприятного запаха как от горелой резины. Если вы нашли почерневший элемент – нужно его проверить. У него может быть одна из трёх неисправностей:

Иногда поломка бывает столь очевидной, что её можно определить и без мультиметра, как в примере на фото:

Проверка резистора на обрыв

Проверить исправность можно обычной прозвонкой или тестером в режиме проверки диодов со звуковой индикацией (см. фото ниже). Стоит отметить, что прозвонкой можно проверить лишь резисторы сопротивлением в единицы Ом — десятки кОм. А 100 кОм уже не каждая прозвонка осилит.

Для проверки нужно просто подключить оба щупа к выводам резистора, неважно это СМД компонент или выводной. Быструю проверку можно провести без выпаивания, после чего всё же выпаять подозрительные элементы и проверить повторно на обрыв

Внимание! При проверке детали не выпаивая с печатной платы, будьте внимательны – вас могут ввести в заблуждение параллельно стоящие элементы. Это актуально как при проверке без приборов, так и при проверке мультиметром

Не ленитесь и лучше выпаяйте подозрительную деталь. Так можно проверить только те резисторы, где вы уверены, что параллельно им в цепи ничего не установлено.

Проверка короткого замыкания

Кроме обрыва, резистор могло пробить накоротко. Если вы используете прозвонку – она должна быть низкоомной, например на лампе накаливания. Т.к. высокоомные светодиодные прозвонки «звонят» цепи сопротивлением и в десятки кОм без существенных изменений яркости свечения. Звуковые индикаторы с этой проверкой справляются лучше чем светодиоды. По частоте пищания можно судить о целостности цепи, на первом месте по достоверности находятся сложные измерительные приборы, такие как мультиметр и омметр.

Проверка на КЗ проводится одним способом, рассмотрим инструкцию пошагово:

1. Измерить омметром, прозвонкой или другим прибором участок цепи.
2. Если его сопротивление стремится к нулю и прозвонка указывает на замыкание, выпаивают подозрительный элемент.
3. Проверить участок цепи уже без элемента, если КЗ ушло – вы нашли неисправности, если нет – выпаивают соседние, пока оно не уйдет.
4. Остальные элементы монтируют обратно, тот после которого КЗ ушло заменяют.
5. Проверить результаты работы на наличие КЗ.

Читать также: Грунтовка алкидная для металла

Вот наглядный пример того, что сгоревший резистор оставил следы на соседних резисторах, есть вероятность, что и они повреждены:

Резистор почернел от высокой температуры, на соседних элементах видны не только следы гари, но и следы перегретой краски, её цвет изменился, часть токопроводящего резистивного слоя могла повредиться.

На видео ниже наглядно показывается, как проверить резистор мультиметром: