Tpo-gefest.ru

ТПО Гефест
0 просмотров
Рейтинг статьи
1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд
Загрузка...

Фотодиоды. Виды и устройство. Работа и характеристики

Фотодиоды входят в состав многих электронных устройств. Поэтому они и приобрели широкую популярность. Обычный светодиод – это диод с р-n переходом, проводимость которого зависит от падающего на него света. В темноте фотодиод обладает характеристиками обычного диода.

Fotodiod ustroistvo

1 – полупроводниковый переход.
2 – положительный полюс.
3 – светочувствительный слой.
4 – отрицательный полюс.

При действии потока света на плоскость перехода фотоны поглощаются с энергией, превышающей предельную величину, поэтому в n-области образуются пары носителей заряда — фотоносители.

При смешивании фотоносителей в глубине области «n» основная часть носителей не успевает рекомбинировать и проходит до границы р-n. На переходе фотоносители делятся электрическим полем. При этом дырки переходят в область «р», а электроны не способны пройти переход, поэтому накапливаются возле границы перехода р-n, а также области «n».

Обратный ток диода при воздействии света повышается. Значение, на которое повышается обратный ток, называют фототоком.

Фотоносители в виде дырок осуществляют положительный заряд области «р», по отношению к области «n». В свою очередь электроны производят отрицательный заряд «n» области относительно «р» области. Возникшая разность потенциалов называется фотоэлектродвижущей силой, и обозначается «Еф». Электрический ток, возникающий в фотодиоде, является обратным, и направлен от катода к аноду. При этом его величина зависит от величины освещенности.

Режимы работы

Фотодиоды способны функционировать в следующих режимах:
  • Режим фотогенератора. Без подключения источника электричества.
  • Режим фотопреобразователя. С подключением внешнего источника питания.

В работе фотогенератора фотодиоды используются вместо источника питания, которые преобразуют солнечный свет в электрическую энергию. Такие фотогенераторы называются солнечными элементами. Они являются основными частями солнечных батарей, применяемых в различных устройствах, в том числе и на космических кораблях.

КПД солнечных батарей на основе кремния составляет 20%, у пленочных элементов этот параметр значительно больше. Важным свойством солнечных батарей является зависимость мощности выхода к весу и площади чувствительного слоя. Эти свойства достигают величин 200 Вт / кг и 1 кВт/м 2 .

При функционировании фотодиода в качестве фотопреобразователя , источник напряжения подключается в схему обратной полярностью. При этом применяются обратные графики вольт-амперной характеристики при разных освещенностях.

Fotopreobrazovatel

Напряжение и ток на нагрузке Rн определяются на графике по пересечениям характеристики фотодиода и нагрузочной линии, которая соответствует резистору Rн. В темноте фотодиод по своему действию равнозначен обычному диоду. Ток в режиме темноты для кремниевых диодов колеблется от 1 до 3 микроампер, для германиевых от 10 до 30 микроампер.

Виды фотодиодов

Существует несколько различных видов фотодиодов, которые имеют свои достоинства.

p i n фотодиод

В области р-n у этого диода имеется участок с большим сопротивлением и собственной проводимостью. При воздействии на него света возникают пары дырок и электронов. Электрическое поле в этой зоне имеет постоянное значение, пространственный заряд отсутствует.

Этот вспомогательный слой значительно снижает емкость запирающего слоя, и не зависит от напряжения. Это расширяет полосу рабочих частот диодов. В результате скорость резко повышается, и частота достигает 10 10 герц. Повышенное сопротивление этого слоя значительно уменьшает ток работы при отсутствии освещения. Чтобы световой поток смог проникнуть через р-слой, он не должен быть толстым.

Fotodiody p – i – n
Лавинные фотодиоды

Такой вид диодов является полупроводниками с высокой чувствительностью, которые преобразуют освещение в сигнал электрического тока с помощью фотоэффекта. Другими словами, это фотоприемники, усиливающие сигнал вследствие эффекта лавинного умножения.

Fotodiody rabota

1 — омические контакты 2 — антиотражающее покрытие

Лавинные фотодиоды более чувствительны, в отличие от других фотоприемников. Это дает возможность применять их для незначительных мощностей света.

Читайте так же:
Как сделать выключатель света для детей

В конструкции лавинных фотодиодов применяются сверхрешетки. Их суть заключается в том, что значительные различия ударной ионизации носителей приводят к падению шумов.

Другим достоинством применения аналогичных структур является локализация лавинного размножения. Это также снижает помехи. В сверхрешетке толщина слоев составляет от 100 до 500 ангстрем.

Принцип действия

При обратном напряжении, близком к величине лавинного пробоя, фототок резко усиливается за счет ударной ионизации носителей заряда. Действие заключается в том, что энергия электрона повышается от внешнего поля и может превзойти границу ионизации вещества, вследствие чего встреча этого электрона с электроном из зоны валентности приведет к появлению новой пары электрона и дырки. Носители заряда этой пары будут ускоряться полем и могут способствовать образованию новых носителей заряда.

Характеристики

Свойства таких световых диодов можно описать некоторыми зависимостями.

Вольт-амперная

Эта характеристика является зависимостью силы тока при постоянном потоке света от напряжения.

 Fotodiody grafik

I — ток M — коэффициент умножения U — напряжение

Световая

Это свойство является зависимостью тока диода от освещения. При возрастании потока света, фототок повышается.

Спектральная

Это свойство является зависимостью тока диода от длины световой волны, и является шириной пограничной зоны.

Постоянная времени

Это время, за которое фототок диода меняется после подачи света в сравнении с установившимся значением.

Темновое сопротивление

Это значение сопротивления диода в темноте.

Инерционность
Факторы, влияющие на эту характеристику:
  • Время диффузии неравновесных носителей заряда.
  • Время прохождения по р-n переходу.
  • Период перезарядки емкости барьера р-n перехода.
Сфера применения

Фотодиоды являются основными элементами многих оптоэлектронных приборов.

Интегральные микросхемы (оптоэлектронные)

Фотодиод может иметь значительную скорость работы, но коэффициент усиления тока составляет не более единицы. Вследствие оптической связи микросхемы имеют существенные преимущества: идеальная гальваническая развязка цепей управления от мощных силовых цепей. При этом между ними сохраняется функциональная связь.

Фотоприемники с несколькими элементами

Эти устройства в виде фотодиодной матрицы, сканистора, являются новыми прогрессивными электронными устройствами. Их оптоэлектронный глаз с фотодиодом может создавать реакцию на пространственные и яркостные свойства объектов. Другими словами, он может видеть полный его зрительный образ.

Количество ячеек, чувствительных к свету, очень большое. Поэтому, кроме вопросов быстродействия и чувствительности, необходимо считывание информации. Все фотоприемники с множественными фотоэлементами являются сканирующими системами, то есть, приборами, которые позволяют анализировать исследуемое пространство последовательным поэлементным просмотром.

Фотодиоды также нашли широкое применение в оптоволоконных линиях, лазерных дальномерах. Недавно такие световые диоды стали использоваться в эмиссионно-позитронной томографии.

В настоящее время имеются образцы светочувствительных матриц, состоящих из лавинных фотодиодов. Их эффективность и область применения зависит он некоторых факторов.

Светодиоды

Основная функция данных полупроводниковых радиокомпонентов заключается в выработке светового излучения при прохождении электрического тока в прямом направлении. При подаче прямого смещения, как и в обычном диоде, начинаются процессы рекомбинации электронов и дырок. Отличие состоит в том, что в светодиоде этот процесс сопровождается генерацией фотонов, из которых состоит свет.

Для того чтобы полупроводник получил способность к генерации фотонов, он особым образом легируется. В результате материал насыщается носителями заряда, которые возбуждают электромагнитные колебания видимого спектра, которые органами зрения воспринимаются как свечение.

  1. красные;
  2. жёлтые;
  3. оранжевые;
  4. зелёные.

В осветительных приборах с недавних пор используются многокомпонентные изделия, генерирующие все цвета и смешивающие их в особо плотный белый свет. Эти источники света по светимости аналогичны накальным и люминесцентным лампам, но потребляют значительно меньший объём электроэнергии.

Отдельный тип светодиодов – радиокомпоненты, вырабатывающие инфракрасное излучение. Они используются в дистанционном управлении электроникой, СКУД, охранных сигнализациях и прочих подобных системах. И хотя эти элементы генерируют невидимые электромагнитные волны, они используют те же физические принципы и выполняются по той же конструкции, поэтому относятся к классу светодиодов.

Читайте так же:
Выключатель света заднего хода 31105 крайслер

Типы светодиодов

Сегодня существует два подхода к классификации световых диодов. Во-первых, радиокомпоненты различаются по предназначению. В зависимости от этого они могут быть излучательными и индикаторными. Первые используются в оптоволоконных линиях связи в составе оптических пар. Вторые применяются в устройствах индикации. Осветительные светодиоды относятся, кстати, ко второму типу.

Во-вторых, светодиоды различаются технологиями генерации фотонов и по этому признаку подразделяются на инжекционные и люминофорные. В первых свет вырабатывается напрямую полупроводником при прохождении электрического тока. В люминофорных светодиодах используется принцип вторичной генерации. Эти элементы дают более плотный поток света. Упомянутые выше излучательные светодиоды чаще всего являются именно люминофорными.

Основные характеристики светоизлучающих диодов:

  1. Максимально допустимый постоянный прямой ток;
  2. Максимально допустимый импульсный прямой ток;
  3. Максимально допустимое обратное постоянное напряжение;
  4. Сила света светодиода;
  5. Максимум спектрального распределения излучения светодиода;
  6. Постоянное прямое напряжение;
  7. Диапазон рабочей температуры окружающей среды.

фотодиод

О пороге восприятия частоты пульсаций света и их влияние на человека

В большинстве случаев человеческий глаз не фиксирует пульсацию источника искусственного света, поскольку существует определенный порог восприятия, связанный с особенностями нашего зрения и частотой самих пульсаций.

Многократными исследованиями доказано, что критическая частота восприятия пульсаций—300 Гц, при достижении этого значения человеческий мозг перестает воспринимать их как таковые. При частоте до 120 Гц мозг на подсознательном уровне воспринимает пульсацию как некий “месседж” и пытается его обработать. Считается, что таким образом, человек воспринимает до 4 частот мерцаний от различных источников света, что в значительной степени повышает “загруженность” его центрального вычислителя—головного мозга.

Можно выделить два вида влияний пульсации светового потока на человека: краткосрочные и долгосрочные, см. таблицу 1.

Таблица 1

Влияние пульсаций на человека

Краткосрочное влияние

Долгосрочное влияние

усталость органов зрения

снижение внимания

утомляемость организма

замедление активности мозга

тошнота и нарушение пищеварения

нарушение циркадных ритмов

депрессия

бессонница

патология сердечно-сосудистой системы

патология органов зрения

патология ЖКТ

эректильная дисфункция

расстройство НС

Вольтаические сенсоры. Сенсоры на диодах и биполярных транзисторах

Полупроводниковые диоды формируют, как известно, посредством локального легирования полупроводника, так чтобы образовался т.н. » pn-переход» – переходной слой между областями полупроводника p-и n-типа [ [ 224 ] ]. Электрический ток через такую структуру может свободно протекать только в «прямом» направлении – от «анода» (область p-типа) к «катоду» (область n-типа). Известно следующее теоретическое выражение , описывающее вольтамперную характеристику (ВАХ) диода , т.е. зависимость протекающего сквозь него тока от приложенного напряжения:

i=i_0(e^<eU/kT data-lazy-src=

где i_0– т.н. «темновой» ток, обусловленный тепловой генерацией носителей заряда; e– электрический заряд электрона; U– приложенное к диоду напряжение; k– постоянная Больцмана; T– абсолютная температура диода .

Из формулы (9.2) видно, что ток через диод при фиксированном напряжении сильно зависит от абсолютной температуры. А если зафиксировать пропускаемый ток (например, с помощью схемы источника тока), то напряжение на прямо смещенном pn-переходе, почти линейно возрастает с повышением температуры. Поэтому полупроводниковые диоды и биполярные транзисторы часто используют как чувствительные элементы в сенсорах температуры [ [ 117 ] ]. Такие сенсоры выпускаются многими фирмами и обеспечивают точность измерения температуры до pm0,1 degС.

Интересным сенсором и одновременно акутуатором является кремниевый лавинно-пробойный диод ( silicon avalanche diode – SAD ). Объектом его наблюдения является напряжение в той электрической цепи, параллельно которой он включен (в запорном направлении). Пока напряжение в сети остаётся ниже напряжения пробоя диода , последний, имея очень высокое сопротивление, практически не влияет на работу цепи. Но если напряжение в цепи хотя бы кратковременно превысит напряжение пробоя диода , в результате обратимого электрического пробоя сопротивление диода резко падает, и он практически закорачивает остальную цепь, защищая её от перегрузок. Он, таким образом, как бдительный сторож, неусыпно «охраняет вверенную ему электрическую цепь», действуя в нужный момент решительно и молниеносно. Такие диоды наиболее часто применяют в целях защиты цепей передачи данных и плат микросхем от опасных кратковременных перегрузок, например, от пробоев вследствие накопления статического электричества.

9.2.1. Фотодиоды

Однако наиболее известными диодными сенсорами являются фотодиоды . В фотоприемниках (сенсорах света) они ведут себя как управляемый светом источник тока. Благодаря наличию в толще p-n-перехода внутреннего электрического поля дополнительные свободные носители заряда, которые возникают при поглощении квантов света, начинают перемещаться и создают дополнительный электрический ток, пропорциональный интенсивности света. Его называют «фототоком». Зависимость тока через фотодиод от напряжения и интенсивности падающего света довольно хорошо описывается формулой

i=i_0(e^<eU/kT data-lazy-src=

где i_0– «темновой» ток; e– электрический заряд электрона; U– напряжение на диоде ; k– постоянная Больцмана; T– абсолютная температура; eta– квантовый выход носителей заряда при возбуждении светом (усредненное количество носителей, которые возникают при поглощении одного кванта света); Phi– квантовая интенсивность светового потока (фотонов/с).

На практике световой поток часто задают в люксах. Тогда коэффициент при нем имеет смысл светочувствительности фотодиода и задаётся в мкА/лк. Соответствующие вольтамперные характеристики фотодиода при отсутствии света (Phi = 0)и при его возрастающих интенсивностях (Phi_1 < Phi_2 < Phi_3)показаны слева на рис. 9.4.

Справа рис. 9.4 приведена эквивалентная электрическая схема фотодиода . Рядом с источником тока показаны собственная электроемкость диода Cи его внутреннее сопротивление R. Они в значительной мере и определяют быстродействие фотодиода . Чтобы обеспечить высокое быстродействие, надо, в первую очередь, уменьшать собственную емкость фотодиода . Этого достигают, используя фотодиоды p-i-nструктуры, которые показаны на рис. 9.5. В такой структуре непосредственно возле p-области (анода) диода формируется обширная очень обедненная носителями, почти изолирующая, область кремния (так называемая i-область). Этим достигается значительное уменьшение собственной емкости фотодиода .

Чтобы в полупроводнике при поглощении фотона образовалась пара носителей заряда (электрон + «дырка»), энергия фотона должна быть больше ширины запрещенной энергетической зоны. Для кремния, например, это 1,12 эВ. Такую энергию имеют кванты света с длиной волны меньше 1,1 мкм – это так называемая «красная граница» фоточувствительности для чистого кремния. С другой стороны, видимый свет с длиной волны, существенно меньше 1,1 мкм, уже сильно поглощается кремнием. Из-за этого, если p-область кремния относительно толстая, свет так и не доходит до p-n-перехода. Поэтому для того, чтобы кремниевые фотодиоды имели высокую чувствительность и в видимой области спектра, p-область кремния надо делать очень тонкой.

Фотодиоды , которые должны быть чувствительны к свету из ближней инфракрасной области спектра с длиной волны от 1,2 до 2 мкм, делают из германия, а чувствительные к свету средней и далекой инфракрасной (ИК) области – из еще более «узкозонных» полупроводников (PbS, PbSe, InSb, CdHgTe, . ). Из-за узкой запрещенной зоны темновой ток у таких фотодиодов и дробовой шум при комнатных температурах слишком велики. Поэтому фотодиоды , которые должны работать в средней и далекой ИК области спектра, как правило, приходится охлаждать.

9.2.2. Фотодиоды Шотки

Для обеспечения чувствительности кремниевых фотодиодов также в фиолетовой и ультрафиолетовой областях используют так называемые фотодиоды Шотки ( рис. 9.6). Вместо p-n-перехода в них формируют т.н. «барьер Шотки», возникающий на границе раздела «металл – полупроводник». Для этого на фоточувствительную область кремния напылением в вакууме наносят очень тонкий слой золота, достаточно прозрачный для видимого и ультрафиолетового света.

9.2.3. Схемы включения фотодиодов

Различают несколько режимов работы фотодиодов . Один из них – фотовольтаический (режим измерения фото-ЭДС), обозначенный на рис. 9.4 слева рабочим участком 1. Наклон этого участка определяется большим внутренним сопротивлением прибора или схемы, измеряющей напряжение на фотодиоде . Поскольку сопротивление очень велико, то через фотодиод в этом режиме протекает совсем незначительный ток. Каждому значению светового потока Phiсоответствует свое измеренное напряжение U.

Намного чаще в фотодиодных сенсорах света используют электронную схему, показанную на рис. 9.7. Одним из преимуществ такой схемы является то, что в ней напряжение на фотодиоде почти не меняется, благодаря чему сводятся к минимуму потери на перезарядку входной емкости. С помощью операционного усилителя и резистора обратной связи Rфототок превращается в выходное напряжение со значительным усилением мощности. Рабочий участок фотодиода в таком режиме, который называют «фотоэлектрическим», представлен слева на рис. 9.4 отрезком 2. Наклон его определяется номиналом резистора обратной связи R. Ёмкость обратной связи Cвводят в схему ( рис. 9.7) для компенсации сдвига фаз и коррекции частотной характеристики сенсора [ [ 325 ] ].

Если требуется максимальное быстродействие, то фотодиод используют в режиме фотопроводимости, в котором на него подается большое обратное напряжение смещения. Это приводит к значительному расширению обедненной зоны возле p-области и к уменьшению собственной емкости фотодиода . Однако надо помнить, что при этом возрастают и темновой ток, и собственный дробовой шум фотодиода . Типичная схема включения фотодиода в таком режиме показана на рис. 9.8.

Соответствующий рабочий участок представлен слева на рис. 9.4 отрезком 3, наклон которого, как и в предыдущей схеме, определяется номиналом резистора обратной связи R. Если этот номинал не слишком велик, то напряжение на фотодиоде меняется мало. Фотосенсор, собранный по такой схеме, может работать на частотах в сотни мегагерц.

Микроэлектронная технология позволила формировать на небольших кристаллах кремния фотодиоды вместе с интегральными схемами усиления фототока, обеспечивая не только высокое быстродействие, но и весьма высокую чувствительность.

Обозначение на схеме

Отличить фоторезистор на схеме от обычного резистора достаточно просто. На значке фоторезистора присутствуют две стрелки, направленные в сторону прямоугольника. Эти стрелки символизируют поток света (см. рис. 7). На некоторых схемах символ резистора помещают внутри окружности, а на других обозначают прямоугольником без окружности. Но главное отличие – наличие стрелок.

Фоторезистор на схеме

Рис. 7. Фоторезистор на схеме

Несмотря на разнообразие фотодатчиков их можно разделить всего на два вида:

  1. Фоторезисторы с внутренним фотоэффектом;
  2. Датчики с внешним фотоэффектом.

Они отличаются лишь по технологии производства, а точнее, по составу фоторезистивного слоя. Первые – это фоторезисторы, в которых полупроводник изготавливается из чистых химических элементов, без примесей. Они малочувствительны к видимому свету, однако хорошо реагируют на тепловые лучи (инфракрасный свет).

Фоторезисторы с внешним эффектом содержат примеси, которыми легируют основной состав полупроводникового вещества. Спектр чувствительности у этих датчиков гораздо шире и перемещается в зону видимого спектра и даже в зону УФ излучения.

По принципу действия эти два вида фоторезисторов не отличаются. Их внутреннее сопротивление нелинейно уменьшается с ростом интенсивности светового потока в зоне чувствительности.

Что такое освещенность?

Снимокw.PNG

Физическая величина, численно равная световому потоку, падающему на единицу площади освещаемой поверхности, называется освещенностью.
Освещенность обозначают символом Е, и находят ее значение по формуле Е = Ф/S, где Ф — световой поток, а S – площадь освещаемой поверхности.

Для примера приведем некоторые типичные значения освещенности:

  • Солнечный день в средних широтах — 100000 Лк;
  • Пасмурный день в средних широтах — 1000 Лк;
  • Светлая комната, освещенная лучами солнца — 100 Лк;
  • Искусственное освещение на улице — до 4 Лк;
  • Свет ночью при полной луне — 0,2 Лк;
  • Свет звездного неба темной безлунной ночью — 0,0003 Лк

Исследователи доказали, что через сетчатку человеческого глаза, свет воздействует на процессы, протекающие в мозге. По этой причине недостаточная освещенность вызывает сонливость, угнетает трудоспособность, а избыточное освещение — наоборот, возбуждает, помогает включить дополнительные ресурсы организма, однако, изнашивая их, если это происходит неоправданно.

В процессе ежедневной работы осветительных установок, возможен спад освещенности, поэтому для компенсации данного недостатка, еще на стадии проектирования осветительных установок вводят специальный коэффициент запаса.

Для естественного освещения вводят коэффициент снижения КЕО (коэффициента естественной освещенности), ведь со временем могут загрязнится светопрозрачные заполнители световых проемов, и загрязниться отражающие поверхности помещений.

Освещенность измеряют портативным прибором — люксметром. Его принцип работы аналогичен фотометру. Свет попадает на фотоэлемент, стимулируя ток в полупроводнике, и величина получаемого тока как раз пропорциональна освещенности. Есть аналоговые и цифровые люксметры.

Другие статьи

Электрощит для квартиры и частного дома: основные отличия

Электрощит для квартиры и частного дома: основные отличия

Электрический щит – это в первую очередь защита жизни и здоровья человека от поражения электрическом током, а во вторую защита имущества в виде не только электроприборов, но и дома, жилья в целом.

Купить розетки и выключатели в квартиру. Какие выбрать?

Купить розетки и выключатели в квартиру. Какие выбрать?

Электроустановочные изделия уже давно стали элементом интерьера.

Уличные светильники: организация освещения в частном доме и на придомовой территории.

Уличные светильники: организация освещения в частном доме и на придомовой территории.

Правильно организованная подсветка загородного дома уличными светильниками должна быть не только функциональной, но и отвечать всем нормам безопасности.

Разводка электрики в деревянном доме

Разводка электрики в деревянном доме

При монтаже проводки в деревянном доме своими руками очень важно соблюсти все меры безопасности и позаботиться о качественных элементах электрооборудования.

Количество светодиодов вокруг камеры соответствует заявленному расстоянию:

  • 25 м – 24 шт.;
  • 30 м – 36 шт.;
  • 40 м – 48 шт.;
  • 60 м – 70 шт.

У камер некоторых брендов 1-2 луча могут освещать расстояние 10-50 м.

При выборе обратите внимание на такие параметры:

  1. Дальность обнаружения – расстояние, на котором в поле зрения камеры можно четко определить фигуру человека, зависит от мощности излучения подсветки и чувствительности камеры.
  2. Сила излучения подсветки – измеряется в Вт/стер (Ватт на стерадиан), определяется как поток излучения, приходящийся на единицу телесного угла в заданном направлении.
  3. Напряжение питания, потребляемый ток прожектора.
  4. Угол излучения – зависит от формы линзы, фокусирующей ИК-излучение от полупроводникового кристалла.
  5. Длина волны – у каждой камеры своя спектральная характеристика, стандартизированная в видимой области спектра.
  6. Фокусное расстояние объектива – от этого показателя зависит четкость изображения на дальних участках.
  7. Наличие дополнительных функций – защита от перегрева и скачков напряжения, фотодатчик, переплюсовка.

голоса
Рейтинг статьи
Ссылка на основную публикацию
Adblock
detector