Диод

Фотодиод

Принцип работы основан на фотовольтаическом эффекте, т.е. разделение на границе электронно-дырочного перехода созданных оптическим излучением неосновных неравновесных носителей заряда. Если по-простому, то происходит разделение электронов и дырок в p и n области, за счет чего образуется ЭДС.

Структурная схема фотодиода:

Структура фотодиода
Рисунок 5 — Структура фотодиода.

При попадании кванта света в полосе собственного поглощения в полупроводнике возникает пара неравновесных носителей – электрон и дырка. При регистрации электрического сигнала необходимо зарегистрировать изменение концентраций носителя. Как правило, используется принцип регистрации неосновных носителей заряда.

При разомкнутой внешней цепи (SA разомкнут, R = ∞) внешнее напряжение отсутствует, ток через внешнюю цепь не протекает. В этом случае напряжение на выводах фотодиода будет максимальным. Эту величину называют напряжением холостого хода Uхх или фото ЭДС. В режиме короткого замыкания (SA замкнут) напряжение на выводах фотодиода равно 0. Ток короткого замыкания Iкз во внешней цепи равен фототоку Iф.

Соответственно, фотодиод может работать в двух режимах:

  • Фото-генераторный;

Режим работы без внешнего обратного напряжения, по сути, в данном режиме фотодиод является источником тока. Фототок пропорционален световому потоку, однако также зависит и от напряжения на выводах фотодиода.

  • Фото-преобразовательный;

Режим работы с внешним обратным напряжением, в данном режиме ток во внешней цепи не зависит от напряжения на выводах фотодиода и пропорционален световому потоку.

Фотодиоды являются очень быстродействующими приборами. Диапазон рабочих частот может достигать 0\div {{10}^{10}}\text{ Hz}\text{.}

Виды фотодиодов:

  • Pin фотодиод;

В p-i-n структуре, i область (беспримесный полупроводник) заключена между двумя областями противоположной проводимости. При достаточно большом напряжении оно пронизывает i область, и свободные носители, появившееся за счет фотонов при облучении, ускоряются электрическим полем p-n переходов. Это дает выигрыш в быстродействии и чувствительности. Повышение быстродействия в pin фотодиоде обусловлено тем, что процесс диффузии заменяется дрейфом электрических зарядов в сильном электрическом поле. Уже при Uобр ≈ 0.1 В pin фотодиод имеет преимущество в быстродействии.

Также за счет изменения ширины i области, есть возможность обеспечения чувствительности в длинноволновой части спектра.

  • Фотодиод Шоттки;

Имеет те же преимущества и недостатки, что и простой диод Шоттки.

  • Лавинный фотодиод;

Используется лавинный пробой. Он возникает тогда, когда энергия квантов света превышает энергию образования электронно-дырочных пар. Имеют существенно большую чувствительность по сравнению с другими типами фотодиодов за счет лавинного умножения носителей заряда.

Условия реализации лавинного пробоя:

  • Электрическое поле области пространственного заряда должно быть достаточно большим, чтобы на длине свободного пробега l электрон набрал энергию, большую, чем ширина запрещённой зоны EG:

q\cdot \lambda =\frac{3}{2}\cdot {{E}_{G}}\text{.}

  • Ширина области пространственного заряда должна быть существенно больше, чем длина свободного пробега.

Основные параметры фотодиодов

  • Область спектральной фоточувствительности;
  • Длина волны максимума спектрального распределения фоточувствительности;
  • Токовая фоточувствительность;

Нормируется при определенной величине рабочего напряжения и внешнего освещения. Данный параметр показывает на какую величину изменяется генерируемый фотодиодом ток при изменении внешнего освещения.

  • Наибольшая рабочая освещенность;
  • Наибольшее постоянное рабочее (обратное) напряжение;
  • Темновой ток;

Величина генерируемого фотодиодом тока в отсутствии внешнего освещения.

  • Постоянная времени фотодиода;

Характеризует быстродействие фотодиода.

Светодиод

В зарубежной литературе известен как LED (англ. light-emitting diode).

Принцип работы основан на свойстве полупроводников излучать фотоны при переходе электронов с одного энергетического уровня на другой в результате рекомбинации электронов и дырок под действием электрического тока в прямом направлении через p-n переход. Так как переход электронов имеет строго определенное значение энергии, то и испускаемые фотоны имеют строго определенную длину волны, т.е. свет получается монохроматическим.

Структурная схема светодиода:

Структура светодиода
Рисунок 6 — Структура светодиода.

Не все полупроводниковые материалы эффективно испускают свет при рекомбинации. Лучшие излучатели относятся к прямозонным полупроводникам (т.е. таким, в которых разрешены прямые оптические переходы зона-зона). Длина волны излучения зависит от материала полупроводника.

Диоды, сделанные из не прямозонных полупроводников (например, кремния, германия или карбида кремния), свет практически не излучают.

Основные параметры светодиодов

  • Материал светодиода;
  • Цвет свечения;
  • Длина волны излучения;
  • Номинальная сила света;
  • Видимый телесный угол;
  • Максимальное рабочее (обратное) напряжение;
  • Максимальное прямое напряжение;

Максимальное падение напряжения на светодиоде.

  • Номинальный рабочий (прямой) ток;
Страниц: 1 2 3 4 5