Температурная устойчивость
Обнаружители состоят из тонкой пленки на стеклянной подложке. Эффективная форма и рабочая площадь фотопроводящей поверхности могут значительно варьироваться в зависимости от условий эксплуатации. При этом рабочие характеристики прибора также меняются, в частности – чувствительность детектора изменяется в зависимости от рабочей температуры. Температурные характеристики запрещенных полос в соединениях PbS и PbSe отрицательны, поэтому охлаждение детектора сдвигает диапазон спектрального отклика на область более длинных волн. Для достижения наилучших результатов рекомендуется использовать фотодиоды в стабильной среде.
Поддержание стабильности в фотодиодных схемах
В схеме, показанной выше, усиление определяет только резистор (Rос). Назначение конденсатора (Cос) состоит в том, чтобы избежать проблем, связанных с возбуждением колебаний, за счет компенсации внутренней емкости pn-перехода фотодиода, которая создает полюс в цепи обратной связи. Cос компенсирует ее, создавая ноль в цепи обратной связи.
Возбуждение колебаний – это реальная проблема фотодиодных схем. Внутренняя частотная компенсация обычно защищает операционные усилители от нестабильности, но фотодиодные трансимпедансные усилители могут генерировать колебания, даже когда вы используете операционный усилитель с внутренней компенсацией.
Вы можете узнать гораздо больше о стабильности фотодиодных усилителей, в том числе о том, как эффективно подобрать величину емкости компенсационного конденсатора, в 8-ой части серии статей об отрицательной обратной связи.
Нежелательные и желаемые эффекты фотодиода
Любой p – n-переход, если он освещен, потенциально является фотодиодом. Полупроводниковые устройства, такие как диоды, транзисторы и ИС, содержат p – n-переходы и не будут правильно работать, если они будут освещены нежелательным электромагнитным излучением (светом) с длиной волны, подходящей для создания фототока. Этого можно избежать, заключив устройства в непрозрачные корпуса. Если эти корпуса не полностью непрозрачны для излучения высокой энергии (ультрафиолета, рентгеновских лучей, гамма-лучей), диоды, транзисторы и ИС могут работать неправильно. из-за индуцированных фототоков. Фоновое излучение от упаковки также является значительным.Радиационное упрочнение смягчает эти эффекты.
В некоторых случаях эффект действительно нужен, например, чтобы использовать Светодиоды как светочувствительные устройства (см. Светодиод как датчик света) или даже для сбор энергии, затем иногда называли светодиоды и светопоглощающие диоды (ВЕДЕТ).
Описание
Структурная схема фотодиода. 1 — кристалл полупроводника; 2 — контакты; 3 — выводы; Φ — поток электромагнитного излучения; Е — источник постоянного тока; RH — нагрузка.
Принцип работы:
При воздействии квантов излучения в базе происходит генерация свободных носителей, которые устремляются к границе p-n-перехода. Ширина базы (n-область) делается такой, чтобы дырки не успевали рекомбинировать до перехода в p-область. Ток фотодиода определяется током неосновных носителей — дрейфовым током. Быстродействие фотодиода определяется скоростью разделения носителей полем p-n-перехода и ёмкостью p-n-перехода Cp-n
Фотодиод может работать в двух режимах:
- фотогальванический — без внешнего напряжения
- фотодиодный — с внешним обратным напряжением
Особенности:
- простота технологии изготовления и структуры
- сочетание высокой фоточувствительности и быстродействия
- малое сопротивление базы
- малая инерционность
Фотодиодная матрица
Чип фотодиодной матрицы 2 x 2 см с более чем 200 диодами
Одномерный массив из сотен или тысяч фотодиодов может использоваться в качестве позиции датчик, например, в составе датчика угла.
В последние годы одним из преимуществ современных матриц фотодиодов (КПК) является то, что они могут обеспечивать высокоскоростное параллельное считывание, поскольку управляющая электроника не может быть встроена как устройство с зарядовой связью (CCD) или CMOS сенсор.
Пассивно-пиксельный сенсор
В пассивно-пиксельный датчик (PPS) — это тип матрицы фотодиодов. Это был предшественник датчик с активным пикселем (APS). Пассивный пиксельный сенсор состоит из пассивных пикселей, которые считываются без усиление, где каждый пиксель состоит из фотодиода и МОП-транзистор переключатель. В матрице фотодиодов пиксели содержат p-n переход, интегрированный конденсатор, и полевые МОП-транзисторы в качестве выбора транзисторы. Матрица фотодиодов была предложена Г. Веклером в 1968 г., предшествовавшей ПЗС-матрице. Это было основой для PPS.
Ранние фотодиодные матрицы были сложными и непрактичными, поэтому требовалось, чтобы в каждом пикселе производились селективные транзисторы, а также на кристалле. мультиплексор схемы. В шум фотодиодных матриц также было ограничением производительности, поскольку считывание фотодиодов автобус емкость привела к увеличению уровня шума. Коррелированная двойная выборка (CDS) также нельзя было использовать с матрицей фотодиодов без внешнего объем памяти. Не было возможности изготовить активные пиксельные датчики с практическим размером пикселя в 1970-х годах из-за ограниченного микролитография технологии в то время.
Принцип действия фотодиода
Простой фотодиод является обыкновенным полупроводниковым диодом с р-п-переходом, на который оказывает действие оптическое излучение. При полном отсутствии светового потока, диод находится в состоянии равновесия и обладает обычными свойствами.
Действие излучения направлено перпендикулярно относительно плоскости, где расположен р-п-переход. Энергия, с которой поглощаются фотоны, превышает ширину запрещенной зоны, что приводит к возникновению электронно-дырочных пар. Данные пары, состоящие из электронов и дырок, получили наименование фотоносителей.
Когда фотоносители проникают внутрь п-области, электроны и дырки, в основной массе не успевают распадаться на составляющие и подходят непосредственно к границе р-п-перехода. В этом месте происходит разделение фотоносителей с помощью электрического поля. В результате, дырки попадают в р-область. Электроны же не в состоянии пройти через поле, окружающее переход, поэтому начинается их скапливание возле п-области и у границы перехода. Таким образом, прохождение тока через переход полностью зависит от движения дырок. Данный вид тока с участием фотоносителей получил название фототока. Под воздействием фотоносителей-дырок в р-области по отношению к п-области возникает положительный заряд. Таким же образом, п-область заряжается отрицательно относительно р-области. Происходит возникновение разности потенциалов, именуемой фото-ЭДС. Ток, сгенерированный в фотодиоде, имеет обратное значение и направление от катода к аноду. Величина этого тока возрастает в зависимости от увеличения степени освещенности. Работа фотодиодов может осуществляться в двух режимах. В первом случае используется фотогенераторный режим, не предусматривающий внешний источник электроэнергии. В режиме фотопреобразователя необходимо использование внешнего источника электроэнергии.
Режим фотогенератора позволяет использовать фотодиоды как источники питания, преобразующие солнечное излучение в электрическую энергию. Они используются в качестве элементов солнечной батареи. Коэффициент полезного действия элементов на основе кремния составляет примерно 20%. КПД у пленочных конструкций может быть значительно выше.
В работе фотодиодом нередко используется свойство обратимого электрического пробоя. В результате, количество носителей заряда умножается лавинообразно, по аналогии с полупроводниковыми стабилитронами. Происходит значительный рост фототока и чувствительности фотодиодов. Данное значение превышает обычные параметры в сотни раз.
Частота лавинных фотодиодов достигает величины до 10 ГГц, что позволяет использовать их в качестве быстродействующих фотоэлектрических приборов. Единственным недостатком этих устройств является повышенный уровень шума. Фотодиоды очень часто используются в паре со светодиодами. Они размещаются в общем корпусе, при этом, расположение светочувствительной площадки фотодиода наиболее оптимально к излучающей светодиодной площадке. Данные приборы получили название оптронов. Электрические связи совершенно не касаются входных и выходных цепей, поскольку сигналы передаются путем оптического излучения.
5.1.1 Принцип действия фотодиода
Существуют материалы, носители заряда в которых не проводят ток в отсутствие воздействия светового потока. Это происходит по ряду причин: либо носители заряда находятся в зоне, где они не могут принимать участие в проводимости (например, в заполненной валентной зоне), либо они блокированы потенциальным барьером, как в детекторе Шоттки, или захвачены связанными квантовыми состояниями. В основе работы ФД лежит эффект поглощения фотонов в полупроводниковом материале и рождение за счёт этого электронно-дырочных пар. Это происходит благодаря переходу электронов из валентной зоны на более высокий энергетический уровень в зону проводимости
Если на переход не подано внешнее напряжение и цепь разомкнута (рисунок 5.1), то освещение приводит к накопление фотоэлектронов в n-области и дырок в р-области. В результате образуется разность потенциалов Uф , т.е. появляется фото-ЭДС. Если внешняя цепь замкнута, то возникает фототок. В таких условиях диод работает как фотоэлемент.
Рисунок 5.1 – Процесс перехода электрона в зону проводимости
Для регистрации потока фотонов необходимы условия, при которых электронно-дырочные пары не рекомбинируют за счёт перехода электрона обратно в валентную зону. Эти условия в ФД создаются внутренним электрическим полем перехода. Известно, что в области перехода концентрация электронов в зоне проводимости и дырок в валентной зоне меньше, чем в прилегающих полупроводниках n- и p-типа, соответственно. Поэтому область в окрестности перехода называется обеднённым слоем. Именно здесь вероятность поглощения фотона велика, а среднее время, за которое созданная электронно-дырочная пара рекомбинирует, может быть сделано большим.
Процессу разделения подвергаются носители заряда, генерируемые в обеднённой области перехода и прилегающей к ней областях размером, примерно равным диффузионной длине неосновных носителей. Только с расстояния, меньшего диффузионной длины, неосновной носитель в процессе движения успевает пересечь границу перехода за время жизни.
Неосновные носители, генерируемые в р- и n-областях на большом расстоянии от границы перехода, вследствие рекомбинации не попадают в обеднённую область, где сосредоточено электрическое поле перехода.
На рисунке 5.2 показана зонная диаграмма энергетических уровней электрона при обратном смещении.
Рисунок 5.2 – Зонная диаграмма энергетических уровней электронов для р-n-перехода при обратном смещении U
Обеднённый слой не имеет свободных носителей, поэтому его сопротивление очень велико, и практически всё падение напряжения приходится на область контакта. В результате электрические силы очень велики в области контакта и пренебрежимо малы в других областях.
За счёт напряжения смещения U возникает дополнительное ускоряющее электрическое поле, которое действует на электроны в зоне проводимости и дырки в валентной зоне и перемещает носители, появившиеся при поглощении фотона, улучшая тем самым характеристики фотодиода. В результате электроны дрейфуют в n-область, а дырки – в p-область, где вероятность их рекомбинации мала. Величина приложенного напряжения напрямую связана с напряжённостью электрического поля, а, следовательно, и с кулоновской силой, действующей на заряженные частицы.
В конечном итоге напряжение смещения U определяет скорость их движения через обеднённую область. Эта скорость должна быть выбрана так, чтобы время пролёта частиц до внешних контактов ФД было бы существенно меньше, чем среднее время рекомбинации. Тогда практически все электронно-дырочные пары, появившиеся вследствие поглощения фотонов, участвуют в формировании фототока. Те носители, которые достигают обеднённой области быстро проходят её под действием сильного электрического поля, возбуждая при этом ток во внешней цепи. Данный ток возникает со сдвигом во времени по сравнению с поглощением фотона. Сдвиг во времени определяется первоначальным медленным диффузионным движением носителей по направлению к обеднённой области.
В идеальном фотодиоде весь падающий свет поглощается в обеднённом слое, и все рождающиеся носители собираются на контактах. Тогда фототок под действием оптической мощности P определяется из выражения
где Р – оптическая мощность;Eф– фото-ЭДС;e – заряд электрона.
На практике, конечно, часть падающего света отражается.
5.1. Определение фотодетектора. Виды фотодетекторов. Требования к фотодетекторам
Фотодетектором (фотоприёмником) называют устройство, преобразующее оптическую энергию в электрическую.
В фотодетекторах используются два фотоэффекта: фотогальванический и фотопроводимости.
Приборы на основе фотогальванического эффекта: фотодиоды, фототранзисторы, солнечные элементы.
Эффект фотопроводимости используется в фоторезисторах.
К фотодетекторам оптических систем связи предъявляются следующие требования:
высокая чувствительность;
требуемые спектральные характеристики и широкополосность;
низкий уровень шумов;
требуемое быстродействие;
длительный срок службы;
использование в интегральных схемах совместно с оптическими усилителями.
В большой степени этим требованиям отвечают фотодиоды.
Фотодиод – прибор, электрические свойства которого изменяются под действием падающего на него излучения.
В технике оптической связи наибольшее применение получили p-i-n фотодиоды и лавинные фотодиоды (ЛФД). Перспективными приборами для высокоскоростных систем являются фотодиоды бегущей волны TAP (Travelling-Wave Photodetectors), используемые на скорости от 10Гбит/с до 160Гбит/с и выше. В этих приборах, фотодетектирование сочетается с оптическим усилением в полупроводниковом оптическом усилителе .
Варианты, типы фотодетекторов
Инфракрасный фотодиод выполнен в черном корпусе, реагирует только на ИК-излучение. Темный цвет линзы — это подобие фильтрующей тонировки, чтобы не срабатывать на иные спектры.
У фотодетекторов есть диапазон частот, тут она больше на порядки, до 10 МГц (намного выше, чем у фоторезисторов), что обеспечивает отличное быстродействие. У вариантов p-i-n и с барьером Шоттки эта цифра 100 МГц–1ГГц, у лавинных — 1–10 ГГц.
Типы фотодиодов по принципу работы, по вариантам комбинации, размещения слоев, материалов рассмотрим ниже.
Фотодиод p-i-n
Элементы типа p-i-n широко распространены для волоконно-оптических систем связи — они преобразуют свет в электросигналы, преобразовывающиеся затем в информацию (видео, звуковая и прочие)
Прослойки p и n изготовляют с применением легирования: в материал полупроводника добавляют усиливающие его примеси. Если в обозначении такой детали есть +, то это свидетельствует о повышенном содержании добавок.
Средний сегмент — часть «i» — это проводник «n», но слаболегированный. Если на него подается обратное напряжение, то там образуется обедненная локация (дырок/электронов становится меньше).
Сопротивление на i-сегменте растет, намного превышает таковое на р+ и n+. Итог указанного процесса: электрополе сосредотачивается в i-области, фотон, поглощаемый там, создает пару: электрон/дырка. Мощное поле на i-участке мгновенно распределяет их на электроды: дырку поглощает катод, электрон — анод. Так создается электроток.
Эффективность p-i-n фотодиодов чрезвычайно высокая, так как их частота может достигать 1010 Гц, что гарантирует передачу за 1 секунду терабайтов данных. У таких деталей i-участок намного шире, чем p+ и n+ для того, чтобы фотоны осваивались бы больше именно на этом сегменте.
Лавинные
В волоконно-оптических технологиях кроме p-i-n типов рассматриваемых деталей используются особые виды — лавинные фотодетекторы (ЛФД), их отличие — дополнительный p-участок.
Из-за укрепляющих добавок более высокое сопротивление у p-слоя, соответственно, наибольшее понижение напряжения на нем. Фотон, оказываясь в светосенситивном i-сегменте, вырывает оттуда электрон, устремляющийся к аноду, дырка идет к катоду.
Электрон на своем маршруте оказывается на локации большого напряжения p-слоя, тут он резко ускоряется, что позволяет выбивать с оболочек атомы p-участков иные такие же частицы. Затем новообразовавшиеся свободные electron делают то же — выбивают из валентных сегментов дополнительные их аналоги. Явление растет лавинообразно.
На изображении визуализировано резкий всплеск движущей электросилы на p-слое. Ток первичный, появившийся в i-слое, растет лавиной на p-участке. Повышение достигает несколько сотен раз, но если оно слишком большое, то создает шумы, увеличивающиеся быстрее импульса. Оптимальное значение коэффициента 30–100.
С барьером Шоттки
В данном типе элементов создается несколько пленок, то есть особая структура, позволяющая избегнуть инжекции неосновных носителей. Такие детали используют движение только основных транспортировщиков. Плюс в том, что нет медленных процессов, подпадающих под влияние явлений накопления, рассасывания второстепенных носителей на базе диода. Плюсы: инерционность, сроки перезарядки ничтожные, первая обусловлена только временем прохода носителей через области пространственного заряда.
Указанные выше способности позволяют применять оптодиоды при СВЧ модуляциях излучений.
Гетероструктурные
Собираются из 2 полупроводников с разным размером запрещенного сегмента, гетерогенным именуют участок между ними. Особым подбором материалов создают устройство, охватывающее (воспринимающее) полную протяженность волн. Минус такого изделия — затратность изготовления.
Широкополосные фотодиоды серии FS без иммерсии и c микроиммерсионной линзой
Конструкция: FS (front side illuminated) – фотодиоды, освещаемые со стороны эпитаксиальных слоев InAs(SbP)/InAsSbP; Чип размером 0.5×0.5 мм и площадью фоточувствительной площадки 0.35×0.35 мм. Смонтированы на промежуточных подложках из Si с рефлектором, на корпусах ТО18, ТО39, TO39 с термоэлектрическим охладителем; Оптическое сопряжение с помощью иммерсионной линзы из халькогенидного стекла диаметром 1 мм
Преимущества: Спектральная чувствительность от видимой до ИК области. Возможность сборки на их основе монолитных матричных приемников размерностью до 4×4. В ФД с микролинзой — увеличение обнаружительной способности от 2-х раз по сравнению с ФД без микролинзы.
λ макс, мкм | S I , А/Вт | D*, смГц 1/2Вт -1 | R , Ом | A, мм | F, град. | |
---|---|---|---|---|---|---|
2.7±0.1 | ≥0.5 | ≥1E10 | ≥400 | D=1 mm | ~60 (140) | PD27FS |
3.35±0.05 | ≥1 | ≥1.5E10 | ≥400 | D=1 mm | ~60 (140) | PD33FS |
4.1±0.1 | ≥1 | ≥3E9 | ≥50 | D=1 mm | ~60 (140) | PD42FS |
4.6±0.1 | ≥0.3 | ≥8E8 | ≥4 | D=1 mm | ~60 (140) | |
5.2±0.1 | ≥0.3 | ≥2E8 | ≥2 | D=1 mm | ~60 (140) | PD52FS |
Исчерпывающая информация о фотодиодах
Фотодиоды – полупроводниковые элементы, обладающие светочувствительностью. Их основная функция – трансформация светового потока в электросигнал. Такие полупроводники применяются в составе различных приборов, функционирование которых базируется на использовании световых потоков.
Принцип работы фотодиодов
Основа действия фотодиодных элементов – внутренний фотоэффект. Он заключается в возникновении в полупроводнике под воздействием светового потока неравновесных электронов и дырок (т.е. атомов с пространством для электронов), которые формируют фотоэлектродвижущую силу.
- При попадании света на p-n переход происходит поглощение световых квантов с образованием фотоносителей
- Фотоносители, находящиеся в области n, подходят к границе, на которой они разделяются под влиянием электрополя
- Дырки перемещаются в зону p, а электроны собираются в зоне n или около границы
- Дырки заряжают p-область положительно, а электроны – n-зону отрицательно. Образуется разность потенциалов
- Чем выше освещенность, тем больше обратный ток
Температурная устойчивость
Обнаружители состоят из тонкой пленки на стеклянной подложке. Эффективная форма и рабочая площадь фотопроводящей поверхности могут значительно варьироваться в зависимости от условий эксплуатации. При этом рабочие характеристики прибора также меняются, в частности – чувствительность детектора изменяется в зависимости от рабочей температуры. Температурные характеристики запрещенных полос в соединениях PbS и PbSe отрицательны, поэтому охлаждение детектора сдвигает диапазон спектрального отклика на область более длинных волн. Для достижения наилучших результатов рекомендуется использовать фотодиоды в стабильной среде.
Источник
Квантовая эффективность
Квантовая эффективность излучателя определяется как отношение числа выделенных электронов к числу падающих фотонов. У кремния и InGaAs пиковая квантовая эффективность около 80%.
Интересно почитать: фотореле в уличном освещении.
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.
Будет интересно Что такое транзистор
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.
Фотодиод на схеме.
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. У фотопроводящих материалов падающий свет приводит к увеличению числа заряженных частиц в активной области, что уменьшает сопротивление детектора. Изменение сопротивления влечет к изменению регистрируемого напряжения, поэтому фоточувствительность принято выражать в единицах В / Вт.
Обратите внимание, что данная схема не предназначается для практических целей, так как в ней присутствует низкочастотный шум. Механизм обнаружения основан на проводимости тонкой пленки активной области
Выходной сигнал детектора без падающего света определяется следующим уравнением. В случае, когда свет попадает на активную область, изменение выходного напряжения определяется таким соотношением:
Частотный отклик
Для получения сигналов переменного тока фотопреобразователи должны подключаться в цепь, где присутствует импульсный сигнал. То есть при использовании этих детекторов в схемах с CW-источниками следует подключать оптический прерыватель. Сигнал фотокондуктора будет оставаться постоянным до предельного времени отклика. Многие детекторы, включая устройства на PbS, PbSe, HgCdTe (MCT) и InAsSb, имеют спектр шума 1 / f (т. е. шум уменьшается с увеличением частоты модуляции), что существенно влияет на время отклика на более низких частотах. Детектор будет проявлять меньшую чувствительность на более низких частотах модуляции.
Фотодиоды.
Иммерсионные фотодиоды серии Sr/Su/Cy
Конструкция: Флип-чип с вводом излучения через n+-InAs; Глубокая меза; Оптическое сопряжение чипа с иммерсионной линзой; Просветляющее покрытие Si иммерсионной линзы. Смонтированы в винтовом (Sr), цилиндрическом (Su, Су) корпусах или на ТО8 с термоэлектрическим охладителем.
Фотодиоды могут комплектоваться узкополосными интерференционными фильтрами с максимумами пропускания 3.3, 3.9, 4.2, 4.7 мкм (FWHM=0.1-0.2 мкм).
Преимущества: Увеличение обнаружительной способности до 10 раз, сужение угла зрения до 15о
Длина волны в максимуме чувствительности | Токовая чувствительность | Обнаружительная способность | Темновое сопротивление | Размер чувствительной площадки | Угол зрения | Спецификация |
---|---|---|---|---|---|---|
λ макс, мкм | S I , А/Вт | D*, смГц 1/2Вт -1 | R , Ом | A, мм | F, град. | |
1.9 | ≥0.5 | ≥1.5E11 | ≥15 000 | D=3.2 mm | ~15 | PD19 |
2.1 | ≥0.5 | ≥1.5E11 | ≥15 000 | D=3.2 mm | ~15 | PD21 |
2.7 | ≥0.6 | ≥7E10 | ≥2 500 | D=3.2 mm | ~15 | PD27 |
2.9 | ≥0.6 | ≥4E10 | ≥1 500 | D=3.2 mm | ~15 | PD29 |
3.4 | ≥1.0 | ≥1E11 | ≥1 000 | D=3.2 mm | ~15 | PD34 |
3.8 | ≥1.0 | ≥3E10 | ≥100 | D=3.2 mm | ~15 | PD38 |
4.2 | ≥1.0 | ≥1E10 | ≥50 | D=3.2 mm | ~15 | PD42 |
4.7 | ≥0.7 | ≥5E9 | ≥10 | D=3.2 mm | ~15 | PD47 |
5.5 | ≥0.5 | ≥2E9 | ≥4 | D=3.2 mm | ~15 | PD55 |
Проверка фотодиода мультиметром
Рассмотрим, как проверить мультиметром фотодетекторы. Тестером замеряют значения сопротивления (обратного и прямого) в процессе освещения/затемнения диода. Мультиметр (или омметр) переводят на отметку 200 кОм.
Иногда встречается характерный дефект — хаотическое изменение тока («ползучесть»). Для обнаружения неполадки собирают простую схему (смотреть рисунок ниже) и замеряют величину обратного тока на протяжении нескольких минут. Если ток неизменный, то деталь рабочая. Проверять можно запчасть на плате, но возможны погрешности, поэтому всегда рекомендована выпайка.
Параметры и характеристики фотодиодов
Параметры:
- чувствительность
- отражает изменение электрического состояния на выходе фотодиода при подаче на вход единичного оптического сигнала. Количественно чувствительность измеряется отношением изменения электрической характеристики, снимаемой на выходе фотоприёмника, к световому потоку или потоку излучения, его вызвавшему.
- Si,Φv=IΦΦv{\displaystyle S_{i,{\Phi _{v}}}={\frac {I_{\Phi }}{\Phi _{v}}}}; Si,Ev=IΦEv{\displaystyle S_{i,{E_{v}}}={\frac {I_{\Phi }}{E_{v}}}} — токовая чувствительность по световому потоку
- Su,Φe=UΦΦe{\displaystyle S_{u,{\Phi _{e}}}={\frac {U_{\Phi }}{\Phi _{e}}}}; Si,Ee=UΦEe{\displaystyle S_{i,{E_{e}}}={\frac {U_{\Phi }}{E_{e}}}} — вольтаическая чувствительность по энергетическому потоку
- шумы
- помимо полезного сигнала на выходе фотодиода появляется хаотический сигнал со случайной амплитудой и спектром — шум фотодиода. Он не позволяет регистрировать сколь угодно малые полезные сигналы. Шум фотодиода складывается из шумов полупроводникового материала и фотонного шума.
Характеристики:
-
вольт-амперная характеристика (ВАХ)
- зависимость выходного напряжения от входного тока. UΦ=f(IΦ){\displaystyle U_{\Phi }=f(I_{\Phi })}
- спектральные характеристики
- зависимость фототока от длины волны падающего света на фотодиод. Она определяется со стороны больших длин волн шириной запрещённой 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.
- световые характеристики
- зависимость фототока от освещённости, соответствует прямой пропорциональности фототока от освещённости. 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.
-
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.
- темновое сопротивление
- сопротивление фотодиода в отсутствие освещения.
- инерционность
Принцип работы фотодиодов
Основа действия фотодиодных элементов – внутренний фотоэффект. Он заключается в возникновении в полупроводнике под воздействием светового потока неравновесных электронов и дырок (т.е. атомов с пространством для электронов), которые формируют фотоэлектродвижущую силу.
- При попадании света на p-n переход происходит поглощение световых квантов с образованием фотоносителей
- Фотоносители, находящиеся в области n, подходят к границе, на которой они разделяются под влиянием электрополя
- Дырки перемещаются в зону p, а электроны собираются в зоне n или около границы
- Дырки заряжают p-область положительно, а электроны – n-зону отрицательно. Образуется разность потенциалов
- Чем выше освещенность, тем больше обратный ток
Если полупроводник находится в темноте, то его свойства аналогичны обычному диоду. При прозванивании тестером в отсутствии освещения результаты будут аналогичны тестированию обычного диода. В прямом направлении будет присутствовать маленькое сопротивление, в обратном – стрелка останется на нуле.