Фотодиоды свойства, схемы включения, применение

№ 12

1.  Фотодиоды свойства, схемы включения, применение.

2.  Унифицированные сигналы ИП

3.  Назначение обратных ИП

1.  Фотодиоды свойства, схемы включения, применение.

Фотодио́д (ФД) — приёмник оптического излучения, который преобразует падающий на его фоточувствительную область поток в электрический заряд за счёт процессов в p-n-переходе.

На рис. 9 приведена структурная схема фотодиода с элементами внешней цели.

 1-кристалл полупроводника;

 2-контакты;

 3-выводы;

 Ф-поток электромагнитного    излучения;

 Е-напряжение источника постоянного тока;

Rн-сопротивление нагрузки.

Рис. 9. Структурная схема фотодиода

Принцип работы

При освещении p-n перехода монохроматическим  излучением  с  энергией  фотонов  > ( – ширина запрещенной зоны)  имеет  место собственное  поглощение  квантов  излучения  и  генерируются  неравновесные фотоэлектроны  и  фотодырки. Под  действием  электрического  поля  перехода  эти фотоносители перемещаются:  электроны -  в n-область,  а дырки - в р-область, т.е. через переход течет дрейфовый ток неравновесных  носителей. Ток фотодиода   определяется током неосновных носителей.

Уравнение, определяющее световые и вольт-амперные характеристики фотогальванических элементов, может быть представлено в следующем виде:

,                  (5)

,                                (6)

где - темновой ток «утечки» через p-n переход;

- ток насыщения, т. е. абсолютное значение величины, к которой стремится темновой ток при ;

A – коэффициент, зависящий от материала фотоэлемента и имеющий значение от 1 до 4(для германиевых фотодиодов он равен 1);

- температура, ˚K;

, k (элементарный заряд);

(постоянная Больцмана);

Семейство  вольт-амперных  характеристик освещенного фотодиода показано на рисунке 10.

Рис. 10. Вольт-амперная характеристика фотодиода

Семейство ВАХ фотодиода расположено в квадрантах I, III, IV. Квадрант I-это нерабочая область для фотодиода, в этом режиме фотоуправление током через диод невозможно.

       Квадрант IV семейства ВАХ фотодиода соответствует фотогальваническому режиму работы ФД. Если цель разомкнута, то концентрация электронов в n-области и дырок в p-области увеличивается, поле объемного заряда атомов примеси в переходе частично компенсируется и потенциальный барьер снижается. Это снижение происходит на величину фотоЭДС, называемую напряжением холостого хода фотодиода Uxx. Значение Uxx для ФД составляет 0,5-0,55В  для GaAs - арсенид галлия Uxx=0,8÷0,9В и не может превышать контактную разность потенциалов перехода, поскольку при этом полностью компенсируется электрическое поле и разделение фотоносителей в переходе прекращается.

Если p- и n- области соединить внешним проводником (режим короткого замыкания), то Uxx=0 и в проводнике потечет ток короткого замыкания , образованный неравновесными фотоносителями.

Промежуточные значения  определяются линиями нагрузки, которые при разных значениях  выходят из начала координат под разным углом. При заданном значении тока по ВАХ ФД можно выбрать оптимальный режим работы фотодиода, при котором в нагрузку будет передаваться наибольшая электрическая мощность.

Основными световыми характеристиками фотодиода в фотогальваническом режиме являются  зависимости  тока  короткого  замыкания  от  светового  потока   и  напряжения  холостого  хода  от  светового  потока  Uхх = , их типовые зависимости показаны на рисунке 11.

Как видно из рис.11 зависимость линейна в широком диапазоне Ф и лишь при значительных световых потоках (Ф>2000…3000лм) начинает проявляться нелинейность.

Зависимость Uxx =также линейна, но при световых потоках, не превышающих 200÷300лм, имеет существенную нелинейность при Ф более 4000лм. Нелинейность  при увеличении Ф объясняется ростом падения напряжения на объемном сопротивлении базы  фотодиода,  а  нелинейность  Uхх =  -  уменьшением  потенциального барьера при росте Ф.

Характеристики ФД в сильной степени зависят от температуры. Для кремниевых ФД Uxx падает на 2.5 мВ при увеличении температуры на 1˚С, при этом, Iкз увеличивается в относительных единицах на 3∙10^-3 1/˚С.

Рис. 11. Световые характеристики фотодиода

Квадрант III-это фотодиодная область работы ФД, при которой к p-n переходу прикладывается обратное напряжение (рис.9)

ВАХ нагрузочного резистора  представляет собой прямую линию, уравнение которой имеет вид:

                                                             ,   

где  - обратное напряжение на ФД,

      – фототок.

Фотодиод и нагрузочный резистор соединены последовательно, т.е. через них протекает один и тот же ток . Этот ток можно определить по точке пересечения ВАХ фотодиода и нагрузочного сопротивления.

Таким образом, в фотодиодном режиме при заданном потоке излучения Ф фотодиод является источником тока  по отношению к внешней цепи. Причем значение тока  от параметров внешней цепи (,) практически не зависит.

В этом режиме ФД обладают высокой чувствительностью (до 1000мА/лм), линейностью преобразования в рабочем диапазоне излучений (до освещенностей 10³÷10⁴лк для Ge ФД и ~10⁵лк для Si ФД), высоким быстродействием (fгр<100МГц), низким порогом чувствительности (~ 10^-12Вт∙√Гц – германиевые, 10^-13 ÷ 10^-14 Вт∙√Гц - кремниевые).

2.  Унифицированные сигналы ИП

            (постоянный ток)

                        (постоянное напряжение)

                         (переменное напряжение f = 50Гц, 400 Гц (1000 Гц))

Частотный (f – var, Um – const)

4, 8, 12, 250, 500, 1000, 2000, 4000, 8000 Гц, девиация

Единичный позиционный код :

Двоичный 7 - > 1111111

Единично-десятичный 7 -> 0111

Двоично-десятичный 7 -> 000000100..

3.  Назначение обратных ИП