3.ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ ФОТОДИОДА
Полупроводниковый фотодиод – это полупроводниковый диод, обратный ток которого зависит от освещенности.
Обычно в качестве фотодиода используют полупроводниковые диоды с p-n переходом, который смещен в обратном направлении внешним источником питания.
При поглощении квантов света в p-n переходе или в прилегающих к нему областях образуются новые носители заряда. Неосновные носители заряда, возникшие в областях, прилегающих к p-n переходу на расстоянии, не превышающей диффузионной длины, диффундируют в p-n переход и проходят через него под действием электрического поля. То есть обратный ток при освещении возрастает. Поглощение квантов непосредственно в p-n переходе приводит к аналогичным результатам. Величина, на которую возрастает обратный ток, называется фототоком.
Свойства фотодиода можно охарактеризовать следующими характеристиками.
а) вольт-амперная характеристика фотодиода представляет собой зависимость светового тока при неизменном световом потоке и темнового тока Iтемн от напряжения.
б) световая характеристика фотодиода, то есть зависимость фототока от освещенности, соответствует прямой пропорциональности фототока от освещенности. Это обусловлено тем, что толщина базы фотодиода значительно меньше диффузионной длины неосновных носителей заряда. То есть практически все неосновные носители заряда, возникшие в базе, принимают участие в образовании фототока.
г) спектральная характеристика фотодиода – это зависимость фототока от длины волны падающего света на фотодиод. Она определяется со стороны больших длин волн шириной запрещенной зоны, при малых длинах волн большим показателем поглощения и увеличения влияния поверхностной рекомбинации носителей заряда с уменьшением длины волны квантов света. То есть коротковолновая граница чувствительности зависит от толщины базы и от скорости поверхностной рекомбинации. Положение максимума в спектральной характеристике фотодиода сильно зависит от степени роста коэффициента поглощения.
д) постоянная времени – это время, в течение которого фототок фотодиода изменяется после освещения или после затемнения фотодиода в е раз (63%) по отношению к установившемуся значению.
е) темновое сопротивление – сопротивление фотодиода в отсутствие освещения.
ж) интегральная чувствительность
K = Iф/,
где Iф – фототок, – освещенность.
з) инерционность.
Существует 3 физических фактора, влияющих на инерционность: 1) время диффузии или дрейфа неравновесных носителей через базу t ; 2) время пролета через p-n переход ti ; 3) время перезарядки барьерной емкости p-n перехода, характеризующееся постоянной времени RСбар .
Время диффузии носителей заряда через базу можно определить (аналогично времени пролета носителей заряда через базу транзистора) для бездрейфового:
tпрол = ,
и дрейфового:
tпрол =
tg 50 нс.
Время пролета через p-n переход:
ti = ,
где d - толщина p-n перехода, vmax – максимальная скорость дрейфа носителей заряда (vmax для кремния и германия равна 5*106 см/c).
Толщина p-n перехода, зависящая от обратного напряжения и концентрации примесей в базе, обычно меньше 5 мкм, а значит ti=0.1 нс. RCбар определяется барьерной емкостью p-n перехода, зависящей от напряжения и сопротивления базы фотодиода при малом сопротивлении нагрузки во внешней цепи. Величина RСбар порядка нескольких наносекунд.
4.ПРАКТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ
Расчет КПД фотодиода.
КПД вычисляется по формуле:
,
где Pосв – мощность освещенности, I – сила тока , U – напряжение на фотодиоде.
Максимальная мощность фотодиода соответствует максимальной площади данного прямоугольника.
Мощность
Освещенности,
МВт
Сила тока,
мА
Напряжение,
В
КПД,
%
1
0.0464
0.24
1.1
3
0.1449
0.41
2
5
0.248
0.26
1.3
7
0.242
0.45
1.6
Среднее значение: 1.5%.
Вывод: коэффициент полезного действия фотодиода согласно полученным данным составил в среднем 1.5%.
5.ПРИМЕНЕНИЕ ФОТОДИОДА В ОПТОЭЛЕКТРОНИКЕ
Фотодиод является составным элементом во многих сложных оптоэлектронных устройствах. И поэтому он находит широкое применение.
а) оптоэлектронные интегральные микросхемы.
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.
б) многоэлементные фотоприемники.
Эти приборы (сканистор, мишень кремникона, фотодиодная матрица с управлением на МОП-транзисторе, фоточувствительные приборы с зарядовой связью и другие) 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 каждого элемента (ток, заряд, напряжение) пропорционален его 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.
в) оптроны.
Оптроном называется такой оптоэлектронный прибор, в котором 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 одном 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.
Оптронная техника базируется на достижениях в области физики и технологии излучателей и фотоприемников.
6.ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Важная особенность фотодиодов – высокое быстродействие. Они могут работать на частотах до нескольких миллионов герц. Фотодиоды обычно изготовляют из германия или кремния.
Фотодиод является потенциально широкополосным приемником. Этим и обуславливается его повсеместное применение.
В будущем крайне важно повышение рабочей температуры фотодиодов. Оценивая сегодняшнюю оптоэлектронику в целом, можно сказать, что она скорее «криогенная», чем «комнатная».
Будущее оптоэлектроники находится в прямой зависимости от прогресса фотодиодных структур. Оптическая электроника бурно развивается, разрабатываются новые типы фотоприемников, и наверняка уже скоро появятся фотодиоды на основе новых материалов с большей чувствительностью, повышенным быстродействием и с улучшенными характеристиками в целом.
7.ЛИТЕРАТУРА
1) Роках А. Г. Фотоэлектрические явления в полупроводниках и диэлектриках. - Саратов: Издательство Саратовского университета, 1984.
2) Названов В. Ф. Основы оптоэлектроники. – Саратов: Издательство Саратовского университета, 1980.
3) Носов Ю. Р. Оптоэлектроника. – М.: Советское радио, 1977.
4) Василевский А. М. и др. Оптическая электроника/ А. М. Василевский, М. А. Кропоткин, В. В. Тихонов. – Л.: Энергоатомиздат. Ленингр. Отд-ние, 1990.
5) Шалимова К. В. Физика полупроводников. – М.: Энергия, 1976.
6) Пасынков В.В. и др. Полупроводниковые приборы/ В.В. Пасынков, Л.К. Чиркин, А.Д. Шинков. – М.: Высшая школа, 1973.
Страницы: 1, 2
