1. Энергетические характеристики фотодиода связывают фототок со световым потоком, падающим на фотодиод. Зависимость фототока от светового потока при работе фотодиода в генераторном режиме - является строго линейной только при короткозамкнутом фотодиоде . С ростом нагрузочного сопротивления характеристики все больше искривляются и при больших имеют ярко выраженную область насыщения (рис. 3.12, а). При работе фотодиода в схеме с внешним источником напряжения энергетические характеристики значительно ближе к линейным. При увеличении приложенного напряжения фототок несколько возрастает (рис. 3.12, б). Это объясняется расширением области -перехода и уменьшением ширины базы, в результате чего меньшая часть носителей заряда рекомбинирует в базе при движении к -переходу.
2. Абсолютные и относительные спектральные характеристики фотодиода аналогичны соответствующим характеристикам фоторезистора и зависят от материала фотодиода и введенных примесей (рис. 3.12, в).
Спектральные характеристики практически захватывают всю видимую (300-750 нм) и инфракрасную области спектра.
4. Частотная характеристика показывает изменение интегральной чувствительности при изменении яркости светового потока с разной частотой излучения (рис. 3.12, г). Иногда инерционные свойства фотодиода характеризуют граничной частотой, на которой интегральная чувствительность уменьшается в раз по сравнению со своим статическим значением.
Рис. 3.12. Энергетические характеристики фотодиода в режиме (а) и при работе с внешним источником (б); относительные спектральные и частотные характеристики
Граничная частота быстродействующих кремниевых фотодиодов - порядка Гц.
Для повышения быстродействия и увеличения чувствительности в последние годы разработан ряд фотодиодов; со встроенным электрическим полем; на основе с барьерами Шотки; лавинные фотодиоды и т. д.
В фотодиодах с встроенным электрическим полем базу получают с помощью процесса диффузии. Из-за неравномерного распределения концентрации примесей в ней возникает внутреннее электрическое поле, которое ускоряет движение неосновных носителей заряда к -переходу.
Вследствие наложения диффузионного и дрейфового движений фотодиода несколько возрастает.
Фотодиоды, выполненные на основе , имеют значительно большую толщину области, обедненной основными носителями заряда, так как между р- и -областями имеется -область с собственной электропроводностью. К переходу без риска пробить его можно приложить значительные напряжения. В результате возникает ситуация, когда световое излучение поглощается непосредственно в области, обедненной основными носителями заряда, в которой создано электрическое поле высокой напряженности. Электроны и дырки, возникающие в области перехода при световом облучении, мгновенно перекидываются в соответствующие области. В результате быстродействие резко возрастает и f достигает значений Гц.
Аналогичными по быстродействию являются фотодиоды на основе барьера Шотки. Они выполняются из кремния, на поверхность которого нанесено прозрачное металлическое покрытие из пленок золота мкм) и сернистого цинка 01 к 0,05 мкм), создающее барьер Шотки. Благодаря минимальному сопротивлению базы и отсутствию процессов накопления и рассасывания избыточных зарядов быстродействие получается достаточно высоким Гц).
В лавинных фотодиодах используется лавинный пробой -перехода или барьера Шотки. От обычных фотодиодов они отличаются тем, что возникшие в результате светового облучения носители заряда лавинно размножаются в области -перехода вследствие ударной ионизации. Выбором внешнего напряжения и параметров цепи обеспечивается возникновение лавинного пробоя только при световом облучении. Этот процесс приводит к тому, что ток в цепи увеличивается по сравнению с током , обусловленным световой генерацией и тепловым током перехода, в раз (М-коэффициент лавинного умножения носителей.
Коэффициент лавинного умножения описывается зависимостью
где - напряжение на переходе; b - коэффициент, зависящий от материала для -типа, для -типа); - напряжение лавинного пробоя перехода, при котором - объемное сопротивление и -областей фотодиода.
Основными характеристиками фотодиода являются: ВАХ, световая и спектральная.
Вольт-амперная характеристика . В общем случае (при любой полярности U) ток фотодиода описывается выражением (1). Это выражение представляет собой зависимость тока фотодиода I ф от напряжения на фотодиоде U при разных значениях потока излучения Ф, т.е. является уравнением семейства вольт-амперных характеристик фотодиода. Графики вольт-амперных характеристик приведены на рис. 1.7.
Рис. 1.7 ВАХ фотодиода.
Семейство вольт-амперных характеристик фотодиода расположено в квадрантах I, III и IV. Квадрант I – это нерабочая область для фотодиода: в этом квадранте к p-n переходу прикладывается прямое напряжение и диффузионная составляющая тока полностью подавляет фототок (I p - n >> I ф). Фотоуправление через диод становится невозможным.
Квадрант III – это фотодиодная область работы фотодиода. К p-n переходу прикладывается обратное напряжение. Следует подчеркнуть, что в рабочем диапазоне обратных напряжений фототок практически не зависит от обратного напряжения и сопротивления нагрузки. Вольт-амперная характеристика нагрузочного резистора R представляет собой прямую линию, уравнение которой имеет вид:
E обр - I ф · R = U,
где U обр – напряжение источника обратного напряжения; U – обратное напряжение на фотодиоде; I ф – фототок (ток нагрузки).
Фотодиод и нагрузочный фоторезистор соединены последовательно, т.е. через них протекает один и тот же ток I ф. Этот ток I ф можно определить по точке пересечения вольт-амперных характеристик фотодиода и нагрузочного резистора (рис 1.7 квадрант III) Таким образом, в фотодиодном режиме при заданном потоке излучения фотодиод является источником тока I ф по отношению к внешней цепи. Значение тока I ф от параметров внешней цепи (U обр, R) практически не зависит (Рис 1.7.).
Квадрант IV семейства вольт-амперных характеристик фотодиода соответствует фотогальваническому режиму работы фотодиода. Точки пересечения вольт-амперных характеристик с осью напряжения соответствуют значениям фото-ЭДС E ф или напряжениям холостого хода U хх (R н = ∞) при разных потоках Ф. У кремниевых фотодиодов фото-ЭДС 0,5-0,55 В. Точки пересечения вольт-амперных характеристик с осью токов соответствуют значениям токов короткого замыкания I кз (R н = 0). Промежуточные значения сопротивления нагрузки определяются линиями нагрузки, которые для разных значений R н выходят из начала координат под разным углом. При заданном значении тока по вольт-амперным характеристикам фотодиода можно выбрать оптимальный режим работы фотодиода в фотогальваническом режиме (Рис. 1.8). Под оптимальным режимом в данном случае понимают выбор такого сопротивления нагрузки, при котором в R н будет передаваться наибольшая электрическая мощность.
Рис.1.8. ВАХ фотодиода в фотогальваническом режиме.
Отимальному режиму соответствует для потока Ф1 линия нагрузки R 1 (площадь заштрихованногопрямоугольника с вершиной в точке А, где пересекаются линии Ф 1 и R 1 , будет наибольшей – рис.1.8). Для кремниевых фотодиодов при оптимальной нагрузке напряжение на фотодиоде U=0,35-0,4 В.
Световые (энергетические) характеристики фотодиода – это зависимость тока от светового потока I = f(Ф):
Рис. 1.9. Световая характеристика ФД.
В фотодиодном режиме энергетическая характеристика в рабочем диапазоне потоков излучений линейна.
Это говорит о том, что практически все фотоносители доходят до p-n перехода и принимают участие в образовании фототока, потери неосновных носителей на рекомбинацию не зависят от потока излучения.
В фотогальваническом режиме энергетические характеристики представляются зависимостями либо тока короткого замыкания I кз, либо фото-ЭДС E ф от потока излучения Ф. При больших потоках Ф закон изменения этих зависимостей существенно отклоняется от линейного (рис. 1.10).
|
Рис.1.10.Световые характеристики ФД
Для функции I кз = f(Ф) появление нелинейности связанно с ростом падения напряжения на объемном сопротивлении базы полупроводника. Снижение фото-ЭДС объясняется уменьшением высоты потенциального барьера при накоплении избыточного заряда электронов в n-области и дырок p-области.
Диодный режим имеет по сравнению с генераторным следующие преимущества:
· выходной ток в фотодиодном режиме не зависит от сопротивления нагрузки, в генераторном режиме максимальный входной ток может быть получен только при коротком замыкании в нагрузке.
· фотодиодный режим характеризуется высокой чувствительностью, большим динамическим диапазоном преобразования оптического излучения, высоким быстродействием (барьерная емкость p-n перехода уменьшается).
Недостатком фотодиодного режима работы является зависимость темнового тока (обратного тока p-n перехода) от температуры.
Основными параметрами являются:
· темновой ток I т.
· рабочее напряжение U раб – напряжение, прикладываемое к диоду в фотопреобразовательном режиме.
· Интегральная чувствительность K ф.
Назначение: фотодио́д - приёмник оптического излучения, который преобразует попавший на его фоточувствительную область свет в электрический заряд.
Принцип действия: Простейший фотодиод представляет собой обычный полупроводниковый диод, в котором обеспечивается возможность воздействия оптического излучения на р–n-переход. При воздействии излучения в направлении, перпендикулярном плоскости p-n-перехода, в результате поглощения фотонов с энергией, большей, чем ширина запрещенной зоны, в n-области возникают электронно-дырочные пары. Эти электроны и дырки называют фотоносителями . При диффузии фотоносителей в глубь n-области основная доля электронов и дырок не успевает рекомбинировать и доходит до границы p–n-перехода. Здесь фотоносители разделяются электрическим полем p–n-перехода, причем дырки переходят в p-область, а электроны не могут преодолеть поле перехода и скапливаются у границы p–n-перехода и n-области. Таким образом, ток через p–n-переход обусловлен дрейфом неосновных носителей – дырок. Дрейфовый ток фотоносителей называется фототоком .
Фотодиоды могут работать в одном из двух режимов – без внешнего источника электрической энергии (режим фотогенератора) либо с внешним источником электрической энергии (режим фотопреобразователя).
Устройство:
cтруктурная
схема фотодиода. 1 - кристалл полупроводника;
2 - контакты; 3 - выводы; Ф - поток
электромагнитного излучения;
Е - источник
постоянного тока; Rн - нагрузка.
Параметры: чувствительность (отражает изменение электрического состояния на выходе фотодиода при подаче на вход единичного оптического сигнала.); шумы (помимо полезного сигнала на выходе фотодиода появляется хаотический сигнал со случайной амплитудой и спектром - шум фотодиода)
Характеристики:а) вольт-амперная характеристика фотодиода представляет собой зависимость выходного напряжения от входного тока. б) световая характеристика зависимость фототока от освещенности, соответствует прямой пропорциональности фототока от освещенности. в) спектральная характеристика фотодиода – это зависимость фототока от длины волны падающего света на фотодиод.
Применение: а) оптоэлектронные интегральные микросхемы.
б) многоэлементные фотоприемники. в) оптроны.
9. Светодиоды. Назначение, устройство, принцип действия, основные параметры и характеристики.
Назначение: Светодиод - это полупроводниковый прибор, который излучает свет при пропускании через него тока в прямом направлении.
Принцип действия: Работа основана на физическом явлении возникновения светового излучения при прохождении электрического тока через p-n-переход. Цвет свечения (длина волны максимума спектра излучения) определяется типом используемых полупроводниковых материалов, образующих p-n-переход.
Светодиод является полупроводниковым излучающим прибором с одним или несколькими n-р переходами, преобразующий электрическую энергию в энергию некогерентного светового излучения. Излучение возникает в результате рекомбинации инжектированных носителей в одной из областей, прилегающих к n-р переходу. Рекомбинация происходит при переходе носителей с верхних уровней на нижние.
Характеристики и параметры: основным параметром светодиодов является внутренняя квантовая эффективность (отношение числа фотонов к количеству инжектированных в базу носителей) и внешняя эффективность (отношение потока фотонов из светодиода к потоку носителей заряда в нем). Внешняя эффективность в значительной мере определяется технологией и с ростом ее уровня может быть значительно увеличена.
Основные характеристики светодиодов - вольт-амперные, яркостные и спектральные. Основными параметрами светоизлучающих диодов являются длина волны, полуширина спектра излучения, мощность излучения, рабочая частота и диаграмма направленности излучения.
Светодиоды находят широкое применение в цифровых индикаторах, световых табло, устройствах опто электроники. Принципиально возможно формирование на их основе экрана цветного телевидения.
Фотодиоды преобразуют световые сигналы прямо в электрические, используя обрат-лый пр сравнению со светодиодами физический процесс. В p-i-n-фотодиоде есть широкий внутренний (i-) полупроводниковый слой, разделяющий зоны р- и n-типа, как показано на рис. 6.9. На диод подается обратное смещение (5-20 вольт), это помогает удерживать лосители заряда от внутренней области.
Рис. 6.9. p-i-n-фотодиод
Ширина внутреннего слоя гарантирует, что высока вероятность поглощения входящих фотонов именно этим слоем, а не областями р- или n-типа. Внутренний слой имеет высокое сопротивление, поскольку в нем нет свободных носителей заряда. Это приводит к падению большей части напряжения на этот слой, и результирующее электрическое поле повышает скорость ответа и снижает шум. Когда луч света с подходящей энергией попадает на внутренний слой, он создает пару электрон - дырка, поднимая электрон из валентной зоны в зону проводимости и оставляя на его месте дырку. Напряжение смещения заставляет эти носители заряда (электроны в зоне проводимости) быстро смещаться из переходной зоны, создавая ток, пропорциональный падающему свету, как показано на рис. 6.9.
6.7.2. Рабочие параметры
Длина волны отсечки
У входящего фотона должно быть достаточно энергии для подъема электрона через запрещенную зону и создания пары электрон - дырка. У различных полупроводниковых материалов ширина запрещенной зоны различная, энергетический барьер в электрон-вольтах (эВ) может быть связан с длиной волны (λ) с помощью того же самого уравнения, как для светодиодов.
Для конкретного типа детектора энергетический барьер W есть величина постоянная, поэтому вышеприведенная формула дает максимальную длину волны, которая может быть зафиксирована, то есть длину волны отсечки.
Чувствительность
Чувствительность ρ есть отношение выходного тока (i ) детектора к входной оптической -мощности (Р ).
Для 800 нм чувствительность кремния около 0,5 А/Вт, а пиковая чувствительность InGaAs около 1,1 А/Вт для 1700 нм, снижаясь до 0,77 А/Вт для 1300 нм.
Спектральная характеристика
Спектральная характеристика показывает изменение чувствительности в зависимости от длины волны. Типичные кривые спектральной характеристики для кремниевых и InGaAs p-i-n-диодов показаны на рис. 6.10.
Квантовая эффективность
Квантовая эффективность излучателя определяется как отношение числа выделенных электронов к числу падающих фотонов. У кремния и InGaAs пиковая квантовая эффективность около 80%.
Рис. 6.10. Спектральные характеристики p-i-n-диодов
Скорость ответа
Скорость ответа детектора ограничена временем прохода, которое является временем преодоления свободными зарядами ширины внутреннего слоя. Это функция напряжения обратного смещения и физической ширины. Для быстрых p-i-n-диодов она колеблется от 1,5 до 10 нс. Емкость также влияет на ответ устройства, причем емкость перехода образует изолирующим внутренним слоем между электродами, образованными p- и n-областями. У высокоскоростных фотодиодов время ответа может достигать 10 пикосекунд при емкости в несколько пикофарад с очень маленькими площадями поверхностей.
Вольтамперная характеристика
Типичные вольтамперные (I-U) кривые для кремниевого p-i-n-фотодиода показа, на рис. 6.11. Можно видеть, что даже когда нет оптической мощности, течет небольшой обратный ток, который называется темновым током (dark current). Он вызывается температурным образованием свободных носителей зарядов, обычно удваиваясь через каждые 10°С прироста температуры после 25°С.
Динамический диапазон
Линейная зависимость между напряжением и оптической мощностью, показанная на рис. 6.11 сохраняется обычно на протяжении около шести десятков, давая динамический диапазон около 50 дБ.
Рис. 6.11. Вольтамперные характеристики кремниевого p-i-n-фотодиода
6.7.3. Конструкция p-i-n-фотодиодов
Конструкция p-i-n-фотодиодов подобна использовавшейся для светодиодов и лазеров, но оптические требования менее критичны. Активная область детекторов обычно гораздо больше, чем сердечник волокна, поэтому поперечное выравнивание не создает проблем.
Фотодиод может работать в фотодиодном и гальваническом режиме.
В
фотодиодном
режиме p-n переход
смещается обратным напряжением величина которого
зависит от конкретного фотодиода от единиц до
сотни вольт, чем больше смещение тем быстрее он
будет работать, и больше токи через него будут
течь.
Недостаток фотодиодного режима в том, что
с ростом обратного тока, в последствии увеличения
напряжения или освещения, увеличивается уровень
шумов, а уровень полезного сигнала в целом
остается постоянным, считается, что в этом режиме
диод имеет меньшую постоянную
времени.
Фотодиодная схема включения.
Приведенная схема включения фотодиода является
универсальной и подходит для тестирования и
выбора, применительно к окончательной схеме своей
конструкции.
Изменяя положение подстроечного
резистора, в приведенной схеме, можно
протестировать и выбрать оптимальный режим работы
фотодиода.
Изменяя сопротивление резистора от
минимального до максимального, можно подобрать
наилучший режим смещения на фотодиоде.
Вывернув
резистор на минимум, замкнув подвижный контакт на
землю, мы переведем схему в фотогальванический
режим.
Можно попробовать работу фотодиода и в
прямом смещении (он все равно будет реагировать на
свет), для этого надо поменять схему включения,
перевернув диод.
Сопротивление в 50 Ком, не
должно дать повредить фотодиод, а по переменной
составляющей оно оказывается включенным
параллельно с нагрузкой (меньше 5 КОм), и полезный
сигнал практически не ослабляет. Конденсатор
избавляет нас от постоянной составляющей. Если мы
принимаеи импульсный сигнал то от постоянной
составляющей, которая меняется в зависимости от
фоновой засветки, лучше избавится сразу, смысла ее
усиливать нет.
Еще одна стандартная
схема включения фотодиода показана на
рисунке.
В данной установке для уменьшения
влияния шумов и наводок в схему добавлены буферные
конденсаторы в цепи питания, накопительный
конденсатор С3 и интегрирующая цепочка R2С4 на
выходе.
C1- электролитический конденсатор
большой ёмкости С = 100 мкФ, С2 - быстрый
керамический 0,1 мкФ, С3, С4 - керамические по 100
пФ, R1 - 8 кОм, R2- 5,6 кОм.
Нагрузкой для достижения максимального быстродействия должен быть или каскад с общей базой или быстродействующий операционник включенный по схеме преобразователя ток-напряжение. Эти усилители имеют минимальное входное сопротивление.
Практическая схемотехника включения фотодиода со смещением.
Практическая
схемотехника включения фотодиода со
смещением.
Величина R фильтра подбирается в
зависимости от засвечивания фотодиода в рабочем
варианте с установленной оптикой, учитывается
направление по азимуту (юг,запад и т.д.) в разных
направлениях разные засветки от солнца.
Ёмкость
Сф=0.1мкФ ещё и замыкает цепь фотодиода по высокой
частоте на землю.
Вместо Rн можно поставить
дроссель, либо трансформатор, надо смотреть, не
будет ли искажений или затяжек импульсов или
прочих подводных камней.
Включение фотодиода в каскад с общей базой.
Схема включения
фотодиода ФД 263 в каскад с общей
базой.
В схеме с ОБ - база разделяет входную и выходную цепи, и практически исключает влияние выходного напряжения на вход схемы (подобно экранной сетке в пентоде) по-этому имеется возможность увеличить нагрузочное сопротивление и получить больший размах напряжения на выходе схемы без ущерба для скорости.
