Схемы на фотодиодах

Принцип работы фотодиода, схема и устройство фотодиода

Что такое фотодиод? Это полупроводник, создающий электрический ток, под воздействием света.

  • Режимы работы фотодиодов
  • Pin-фотодиод
  • Лавинный фотодиод
  • Основные характеристики фотодиодов

Схема работы фотодиода

Чтобы понять работу фотодиода, разберемся сначала в работе диода. Диод – полупроводник, который пропускает ток в одном направлении.

Диод в состоянии покоя

Слева на рисунке полупроводник р-типа, справа n-типа, иными словами слева избыток «дырок» (положительно заряженных атомов), справа избыток свободных электронов. В результате диффузии дырки попадают в n-область, а электроны в p-область. На границе областей часть дырок и электронов рекомбинируют. Оставшиеся проходят, создавая запирающий слой, который препятствует перемещению дырок и электронов.

Если подать напряжение: слева — плюс, справа – минус, потечет ток, так как запирающий слой будет преодолен. Если напряжение подать наоборот, то запирающий слой увеличится, ток будет равен нулю, или будет очень мал.

У фотодиода светочувствительная n-область. Если он затемнен, то ведет себя, как обычный диод. Свет – электромагнитные волны – попадая в n-область фотодиода, выбивает электроны с внешних оболочек атомов. Появляется множество дырок и электронов (фотоносителей), которые диффундируют во все стороны. Р-n-переход пропускает дырки, но задерживает электроны. Возникает электрический ток.

Pin-фотодиод

Схема pin-фотодиода

В наше время широко применяются волоконно-оптические системы связи. В них для преобразования света в электрический сигнал применяются pin-фотодиоды. Р и n слои фотодиода изготавливают при помощи легирования (добавления примесей в полупроводник). Плюс говорит о том, что легирование повышенное, то есть добавок больше, чем обычно).

Средняя часть фотодиода – i часть – слаболегированный проводник n-типа. При подачи обратного напряжения, в этом слое возникает обедненная область (мало дырок и электронов). Поэтому сопротивление этой части диода велико, намного больше, чем в р+ и n+ слоях. Как следствие, электрическое поле сосредоточено в и-области. Фотон поглощенный в и-зоне рождает пару: электрон и дырка.

Сильное поле i-области мгновенно разделяет их по электродам: дырка поглощается катодом, электрон – анодом. Возникает электрический ток. Pin фотодиоды очень эффективны. Наибольшая частота, с которой они работают достигает 1010 герц. Что позволяет передавать терабайты информации за 1 секунду.

Как видим из рисунка, ширина и-слоя намного больше, чем ширина р+ и n+ слоев. Это сделано для того, чтобы фотоны поглощались бы в и-зоне, а не в соседних слоях.

Лавинный фотодиод

В волоконно-оптических системах связи помимо pin фотодиодов применяются лавинные фотодиоды (ЛФД).

ЛФД отличаются от ПИН фотодиодов наличием дополнительного р-слоя. Количество легирующих примесей подбирается так, что наибольшее сопротивление имеет р-слой. Это приводит к тому, что наибольшее падение напряжения происходит в р-слое. Фотон попадая в светочувствительный i-слой выбивает электрон, который устремляется к аноду. Соответствующая электрону дырка движется к катоду.

Электрон на своем пути попадает в зону высокого напряжения р-слоя. Здесь скорость электрона резко возрастает и становится достаточной для выбивания с внешней орбиты атомов р-слоя других электронов. Новые свободные электроны в свою очередь сбивают с валентных слоев дополнительные электроны. Процесс нарастает лавинообразно. Поэтому этот тип фотодиодов называется лавинным.

На рисунке показано резкое усиление электродвижущей силы в зоне р-слоя. Первичный ток, возникший в и-слое, лавинообразно усиливается в р-слое. Коэффициент умножения может достигать нескольких сотен. Слишком большое умножение приводит к большим шумам, которые увеличиваются быстрее сигнала. Оптимальный коэффициент умножения находится в пределах от30 до 100.

Основные характеристики фотодиодов

Мы рассмотрели физические аспекты работы фотодиодов. Чтобы до конца разобраться в том, что такое фотодиод необходимо ознакомиться с его математическим описанием. Главные характеристики фотодиодов: вольтамперная, световая и спектральная. Рассмотрим ВАХ:

Вольтамперная характеристика фотодиода

Мы видим семейство кривых, характеризующих зависимость тока, проходящего через фотодиод от приложенного напряжения. Каждая кривая соответствует различным потокам излучения (светового или инфракрасного). Кривая Ф=0 характеризует функционирование фотодиода в темноте. Все кривые не заходят во II четверть. Рабочая область III четверть.

Очень интересный факт, заключается в том, что в III четверти сила тока почти не зависит от приложенного обратного напряжения и сопротивления нагрузки. Она зависит от величины светового потока. Чем больше поток, тем больше сила тока. Уравнение зависимости обратного напряжения от силы тока имеет вид:

Eобр — Iф · R = U

Где Еобр – разность потенциалов источника обратного напряжения;

U – обратное напряжение на фотодиоде;

Iф– фототок (ток нагрузки);

R – резистор нагрузки.

Мы видим, что фотодиод в рабочей четверти является источником тока во внешней цепи.

I четверть – нерабочая зона фотодиода. Здесь приложено к нему прямое напряжение. Диффузный ток подавляет фототок.

В IV четверти фотодиод работает, как фотогальванический элемент. Точка пересечения кривой с осью абсцисс соответствует значению ЭДС, возникающей при отсутствии тока в цепи. То есть при R= ∞. У кремниевых фотодиодов Uх при разных потоках Ф равно приблизительно 0,5в.

Точка пересечения кривых с осью ординат показывает ток короткого замыкания. То есть ток при R=0.

Заштрихованная область показывает оптимальный режим для потока Ф1.

Понравилась статья? Расскажите друзьям: , для нас это очень важно: Проголосовавших: 2 чел.

Параметры фотодиодов и фототранзисторов

Старые фотодиоды еще находят применение не только в старой электронной технике, но и в новых разработках. Какие из перечисленных еще выпускаются а какие нет неизвестно. Но моя практика показывает, что лучше иметь избыточную информацию, чем не иметь ее. Поэтому эта таблица помещена на сайте. Тем более что фотодиоды их этого перечня использовались при проведении исследований описанных на сайте. Например в статье «ИК светодиод АЛ 107, как фотоприемник».

Тип Материал Спектральная область
чувств.,
мкм
λмакс. чувств.,
мкм
Интегральная чувств. по эталонному излучателю
мА/лм
Темновой ток,
мкА
Пороговый поток или пороговая освещенность
лм
Постоянная времени,
с
Площадь чувствительного слоя,
мм2
Напряжение питания,
В
ФД-1 Ge 0,4…1,9 1,6 20 30 1,5 10-10 10-5 5,0 15
ФД-2 Ge 0,4…1,9 1,6 10…20 25; 40 (40° С) (2,8…1,4)-10-10 10-5 1,1 30
ФД-3 Ge 0,4… 1,9 1,6 20 15; 110 (60° С) 1,1 10-10 10-5 3,0 10
ФД-3А Ge 0,4…1,9 1,6 10 10; 65 (60° С) 1,8 10-10 5 10-8 3,0 10
ФД-4 Ge 0,4… 1,9 1.6 20 30 1,5 10-10 10-5 5,0 20
ФД-К1 Si 0,5… 1,2 1,0 3 3 3 10-10 10-5 20
ФД-6К Si 0,5… 1,2 1,0 1,4-10-2 мкА/лк
20
1:7 (75° С) 2,8 10-11 10-6 1 20
ФД-А2 Si 0,5… 1,2 1,0 6…7 3 (2—5)х10-13 Вт 10-6 20
ФД-5Г Ge 0,4… 1,9 1,6 8 5-10-9 лм/Гц 1/2 3.10-5 15
ФД-7К Si 0,4…1,2 0,8 0,47
КФ-ДМ Si 0,5… 1,2 1,0 1,5-10-2 А/лк,
7,5… 15
5/1 5 10-8(3,8…7,6) 10-11 1 10-510-6 —1…2 20/20
ФД-8К Si 0,5… 1,2 1,0 8-10-3 мкА/лк 1; 2(80°С 1,4 10-10 7,5 10-6 20
ФД-8К Si 0,5…1,2 1,0 4 3 2,5 10-10 7,5 10-6 2 20
ФД-9Э111 Ge 0,4… 1,8 1,5 17 10 1,2 10-7 10
ГД-20 Ge 0,4…1,9 1,55 >3-10-6 мА/лк <10 500 лк 10-5 45
ГД-50 Ge 0,4…1,9 1,55 >5-10-8 мА/лк <10 300 лк 10-5 45
ФД GaAs 0,3…0,95 0,85 1…1,5 6-10-11 (1…2) 10-3
ФД GaAs 0,3…0,95 0,85 1…1,5 2,8 10-12 Вт 1,35 10-3 1,5Х1,5
ФТ-1 Ge 0,4…1,9 1,6 170…500 300 5 10-7 2 10-4 3
ФТГ-2А Ge 0,4… 1,9 1,6 1000 50 2,5 10-7 5
Схема включения

ФД в фотодиодном включении

ФД в гальваническом (вентильном) включении

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *