Главная | Обратная связь | Поможем написать вашу работу!

Схемы включения фотодиодов

Фотодиоды

Однако наиболее известными диодными сенсорами являются фотодиоды. В фотоприемниках (сенсорах света) они ведут себя как управляемый светом источник тока. Благодаря наличию в толще -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

(9.3)

где – "темновой" ток; – электрический заряд электрона; – напряжение на диоде; – постоянная Больцмана; – абсолютная температура; – квантовый выход носителей заряда при возбуждении светом (усредненное количество носителей, которые возникают при поглощении одного кванта света); – 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 и при его возрастающих интенсивностях показаны слева на рис. 9.4.

Рис. 9.4. Слева – вольтамперные характеристики фотодиода при разных уровнях освещенности; справа – эквивалентная электрическая схема фотодиода

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

Рис. 9.5. Структура р-і-n-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 -область кремния относительно толстая, свет так и не доходит до -перехода. Поэтому для того, чтобы кремниевые фотодиоды имели высокую чувствительность и в видимой области спектра, -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 . 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.

Фотодиоды Шотки

Для обеспечения чувствительности кремниевых фотодиодов также в фиолетовой и ультрафиолетовой областях используют так называемые фотодиоды Шотки (рис. 9.6). Вместо -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.

Рис. 9.6. Структура фотодиода Шотки

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 соответствует свое измеренное напряжение .

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 фототок 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 . Ёмкость обратной связи вводят в схему (рис. 9.7) для компенсации сдвига фаз и коррекции частотной характеристики сенсора [ [ 325 ] ].

Рис. 9.7. Схема включения фотодиода в фотоэлектрическом режиме

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 -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.

Рис. 9.8. Схема включения фотодиода в режиме фотопроводимости

Соответствующий рабочий участок представлен слева на рис. 9.4 отрезком 3, наклон которого, как и в предыдущей схеме, определяется номиналом резистора обратной связи . 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.

Конструктивное исполнение предусматривает точечный вариант, линейку диодов и двухмерную матрицу.

(а) (б) (в)

Рис. (а) - Фотодиод, (б) - ФД-10-100 активная площадь-10х10 мм², (в) - ФД1604 (активная площадь ячейки 1,2х4мм2 — 16шт)

	PIN фотодиоды
	Двухплощадочные фотодиоды
	Квадрантные фотодиоды
	Фотодиодные линейки: ФДЛ16, ФДЛ64
	Кремниевые фотоумножители (MPPC, SSPM) - разработка ООО "ЦПТА"
	Детекторы излучения
	Позиционно-чувствительные детекторы PSD Обзорную статью по данной теме можете посмотреть здесь

	BH1603FVC-TR Преобразователь свет/ ток; Монтаж: SMD \|

	BP104 Точечный ИК-фотодиод; 950нм; 130°; Монтаж: THT \|

	BP104FS Фотодиод; 950нм; 780-1100нм; 120°; Монтаж: SMD \|



	BPV22NF Точечный ИК-фотодиод; 940нм; 120°; Монтаж: THT \|

	BPW20RF Фотодиод; 920нм; 550-1040нм; 100°; Монтаж: THT \|


	BPW21R Фотодиод; 565нм; 420-675нм; 100°; Монтаж: THT \| INFO \| PDF

	BPW24R Точечный ИК-фотодиод; 24°; Монтаж: THT \|

	BPW34 Точечный ИК-фотодиод; 950нм; 130°; Монтаж: THT \|

	BPW41 Фотодиод; 925нм; 130°; Монтаж: THT \| INFO \|PDF

P-I-N фотодиод

Рис. P-I-N фотодиод.

Фотодиод построен на обычном p-i-n диоде. Эти приборы являются наиболее распространенными, так как толщину обедненной области можно сделать такой, что обеспечивается оптимальная квантовая эффективность и быстродействие.
В p-i-n структуре средняя i-область 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 p-i-n фотодиоде обусловлено тем, что процесс диффузии заменяется дрейфом электрических зарядов в сильном электрическом поле. Уже при Uобр≈0.1В p-i-n фотодиод имеет преимущество в быстродействии.

Реализует возможность обеспечения чувствительности в длинноволновой части спектра за счет изменения ширины i-области. Недостаток: сложность получения высокой чистоты i-области.

Позиционно-чувствительный детектор (PSD) состоит из монолитных PIN фотодиодов с одинаковым значением сопротивления в одном или двух направлениях. Позиционно-чувствительные детекторы имеют ряд преимуществ по сравнению с отдельными фотодиодами, например, высокое пространственное разрешение и высокая скорость считывания. Координаты положения луча сфокусированного на поверхности детектора не зависят от размера его светового пятна. Эти детекторы могут применяться для бесконтактного определения расстояния, фокусирования лазерного луча и слежения за движущимся объектом. Также предлагаются позиционно-чувствительные детекторы, предназначенные для слежения за высокоэнергетичными частицами и электронами.

Двухкоординатные позиционно-чувствительные датчики могут определять положение светового пятна, освещающего их поверхность в 2-х направлениях. Двухкоординатные позиционно-чувствительные датчики имеют 4 контакта, 2 на лицевой стороне, 2 на обратной стороне. Контакты на обратной стороне расположены перпендикулярно контактам на лицевой стороне. Фотоэлектрический ток, формируется светом падающим на детектор как 2 входных тока X1 и X2 и 2 выходных тока Y1 и Y2. Соотношения между токами дает возможность определить положение светового пятна по формулам:

Position y =

Где Ly и Lx длины позиционно чувствительного датчика в направлениях Y и X соответственно. В этих уравнениях интенсивность света также не влияет на расчеты положения светового пятна (не учитывается). Разница между 2-мя направлениями, уникальная для каждого двухкоординатного позиционно-чувствительного датчика гарантирует отличную линейность сравнимую с другими типами двухкоординатных PSD.
Примеры использования двухкоординатных позиционно-чувствительных датчиков – определение позиции и перемещения различных элементов кузова при краш тестах автомобилей, в робототехнике, анатомических исследованиях, измерениях прямолинейности, гладкости, параллельности и т.д.

Фотодиод Шоттки. Структура металл-полупроводник. При образовании структуры часть электронов перейдет из металла в полупроводник p-типа.
Барьер Шоттки (контакт металл-полупроводник) образуется путем нанесения на полупроводник n или p-типа тонкой прозрачной металлической пленки. Материалами могут быть различные полупроводники, используемые в оптоэлектронике, и многие металлы, но пока в промышленности нашли применение кремниевые, германиевые, арсенид-галлиевые фотодиоды с золотой пленкой, толщиной около 0,01 мкм. Вследствие различия работ выхода материалов контакта в базе диода образуется область объемного заряда, обедненная носителями. Аналогично pin-фотодиоду на области объемного заряда падает почти все приложенное к фотодиоду обратное напряжение.

В зависимости от длины волны падающего излучения фотоны поглощаются в области объемного заряда базы (коротковолновая часть спектрального диапазона), либо придают электронам металла энергию, достаточную для преодоления барьера перехода (коротковолновая часть).
Главным отличием фотодиодов Шоттки от обычных p-n-фотодиодов является высокая чувствительность в зоне ультрафиолетового излучения, излучение в этом диапазоне поглощается в приповерхностном слое базы.
Фотодиоды Шоттки обладают высоким быстродействием (собственная постоянная времени составляет 10-10 — 10-9 с)

Фотодиод с гетероструктурой. Гетеропереходом называют слой, возникающий на границе двух полупроводников с разной шириной запрещённой зоны. Один слой р+ играет роль «приёмного окна». Заряды генерируются в центральной области. За счет подбора полупроводников с различной шириной запрещённой зоны можно перекрыть весь диапазон длин волн. Недостаток — сложность изготовления.
В фотодиодах на основе гетероперехода p-n-переход

образуют два полупроводника с разной шириной запрещенной зоны. Для создания гетероперехода необходимо точное совпадение кристаллических решеток применяемых материалов. Характерным примером служит структура GaAs и его твердый раствор GaAlAs. На подложке GaAs n+ типа выращиваются слои n- GaAs и p+ GaAlAs. Слой p+ с широкой запрещенной зоной пропускает падающий свет. Поглощение происходит в узкозонном n-слое, толщина которого должна быть достаточно большой. Если к гетерофотодиоду приложить обратное напряжение, он будет работать как обычный pin-фотодиод.
Гетерофотодиоды обладают высокой чувствительностью и быстродействием, которые зависят от параметра среднего слоя прибора. В отличие от pin-фотодиода, у гетерофотодиода больше емкость.

В фотогальваническом режиме гетерофотодиод формирует ЭДС Uхх = 0,8...1,1В, что в 2-3 раза превосходит напряжение холостого хода у кремниевых фотодиодов/

Лавинный фотодиод. В структуре используется лавинный пробой. Он возникает тогда, когда энергия фотоносителей превышает энергию образования электронно-дырочных пар. Очень чувствительны. Для оценки существует коэффициент лавинного умножения:

Для реализации лавинного умножения необходимо выполнить два условия:

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

2) Ширина области пространственного заряда должна быть существенно больше, чем длина свободного пробега:

Значение коэффициентов внутреннего усиления составляет M=10-100 в зависимости от типа фотодиодов.

Лавинный фотодиод относится к фотоприемникам с внутренним усилением. ЛФД работает при обратном напряжении, близком к пробивному и, вследствие этого, образованные под действием светового потока носители тока ускоряются сильным электрическим полем, приобретая достаточную энергию для ударной ионизации решетки полупроводника. Возникающие при столкновении электроны и дырки в свою очередь продолжают процесс ионизации. В результате в области пространственного заряда фотодиода происходит лавинное умножение носителей тока с коэффициентом усиления М.
Рабочая область характеристик расположена слева от вертикальной прямой, пересекающей ось в точке t/пров- В этой области коэффициент усиления увеличивается от 1 до Мф маКс- Еще быстрее возрастают шумы лавинного фотодиода, основным из которых является дробовой шум.
Шумы увеличиваются еще и вследствие наличия микроплазм (появление отдельных участков пробоя на р-п переходе ранее, чем на остальной поверхности), которые возникают из-за неоднородностей в полупроводнике. В нерабочей области (t/p^t/проб) умножение фототока падает и резко растет темновой ток пробоя. Напряжение'пробоя в зависимости,рт материала и конструкции фотоприемника составляет от нескольких десятков до сотен вольт.
Применяются две конструкции ЛФД: планарная и меза. В планарной свет падает перпендикулярно р-п переходу. Так как в результате кривизны р-п перехода значения?/пр0б на его краях меньше, чем в центре фоточувствительной пло-дцади, то с целью предотвращения возникновения микроплазм по периметру р-п перехода создается охранное кольцо с меньшим градиентом распределения концентрации примеси. Для получения высокой однородности площадь перехода ограничивается размерами.
В мезадиоде свет падает параллельно р-п переходу. Конструкция эффективна при работе в инфракрасном спектральном диапазоне. Глубина поглощения фотонов равна длине перехода. Фотодиоду придается коническая форма, препятствующая возникновению зон локального лавинного пробоя.
Внутреннее усиление в лавинном фотодиоде не связано со значительным повышением инерционности. Лавинный пробой, как и все полевые процессы, протекают быстро. Граничная частота достигает сотен мегагерц, а произведе ние полосы частот на коэффициент усиления— 10й Гц. Так, например, для кремниевых фотодиодов M\F составляет 80 ГГц, для германиевых—50 ГГц.
К недостаткам лавинных фотодиодов относятся: необходимость высоких напряжений питания при жестких требованиях к их стабильности (0,01...0,1 %), так как даже незначительные колебания приводят к значительному изменению фототока; зависимость напряжения пробоя от температуры, а также разброс его значения от экземпляра к экземпляру; зависимость усиления фототока от фоновой засветки; низкий к.п.д. Эти недостатки ограничивают применение ЛФД в оптронах и некоторых других устройствах некогерентной оптоэлектроники.
Лавинный фотодиод обладает наибольшим по сравнению с полупроводниковыми фотоприемниками произведением полосы частот на коэффициент усиления, что позволяет эффективно использовать ЛФД для приема слабых оптических сигналов (линии связи, лазерная локация). При этом на 2...3 порядка снижаются требования к шумам предусилителя. Коэффициент усиления ЛФД, выбранный из условия получения наибольшего отношения^игнал/шум, называют оптимальным

Фототранзисторы.

Фототранзистор действует также как и остальные фотодетекторы, однако транзисторный эффект обеспечивает усиление фототока. По сравнению с фотодиодом фототранзистор более сложен в изготовлении и уступает ему в быстродействии (из-за большей площади).

Переход база — коллектор играет роль чувствительного элемента. На рисунке он показан в виде диода с параллельно включенной емкостью, имеет большую площадь.

Фототранзистор особенно эффективен, так как обеспечивает высокий коэффициент преобразования по току(50% и более). В режиме работы с плавающей базой фотоносители дают вклад в ток коллектора в виде фототока Iph. Кроме того, дырки фотогенерируемые в базе, приходящие в базу из коллектора, уменьшают разность потенциалов между собой и эмиттером, что приводит к инжекции электронов через базу в коллектор.

Биполярный транзистор отличается от классического варианта тем, что область базы доступна для светового облучения, за счёт чего появляется возможность управлять усилением электрического тока с помощью оптического излучения.

Фототранзистор имеет структуру n-p-n или p-n-p транзистора и может усиливать ток. Дырки электронно-дырочных пар, рождённых излучением, находятся в базе, а электроны переходят в эмиттер или коллектор. При увеличении положительного потенциала базы происходит усиление фототока за счёт инжекции электронов из эмиттера в базу.

Биполярный фототранзистор — полупроводниковый прибор с двумя p-n переходами — предназначен для преобразования светового потока в электрический ток. При освещении фототранзистора в его базе генерируется электронно-дырочные пары. Неосновные носители зарядов переходят в область коллектора и частично в область эмиттера. При этом потенциалы эмиттера и коллектора относительно базы изменяются. Эмиттерный переход смещается в прямом направлении, и даже небольшое изменение его потенциала вызывает большое изменение тока коллектора, то есть фототранзистор является усилителем. Ток коллектора освещенного фототранзистора оказывается достаточно большим — отношение светового потока к темновому велико (несколько сотен). Фототранзисторы обладают значительной большей, чем фотодиоды, чувствительностью — порядка сотни миллиампер на люмен. Биполярный фототранзистор подобен обычному биполярному транзистору, между выводами коллектора и базы которого включен фотодиод. Таким образом, ток фотодиода оказывается током фототранзистора и создает усиленный в n раз ток в цепи коллектора. Если на фототранзистор подается только электрический сигнал, его параметры почти не отличаются от параметров обычного транзистора.

Фототранзистор можно включать по схемам со свободным коллектором, со свободной базой и со свободным эмиттером. На фототранзистор можно подавать оптические и электрические сигналы. Без входного электрического сигнала, который обычно необходим для смещения, компенсирующего наводки, фототранзистор работает как фотодиод с высокой интегральной чувствительностью, небольшой граничной частотой и большим темновым током. Фототранзисторы целесообразно использовать для регистрации больших световых сигналов; при регистрации малых световых сигналов следует подать положительное смещение на базу. Применяют два варианта включения фототранзисторов: диодное — с использованием только двух выводов (эмиттера и коллектора) и транзисторное — с использованием трех выводов, когда на вход подают не только световой, но и электрический сигналы. Фототранзисторы используются в качестве фотоприемников и транзисторных оптопарах.

Недостатком фототранзисторов является большая инерционность, что ограничивает их применение в качестве быстродействующих выключателей.

Конструкция и характеристики фотоприемников

Полупроводниковые материалы могут использоваться для построения различных фотоприемников — приборов, преобразующих силу падающего на их активную площадку света в изменение сопротивления или в напряжение или ток (табл).

Табл. Ориентировочные данные по ряду фотоприемников

Тип фотодетектора	Усиление фототока	Время фотоответа, с	Рабочая температура, °K
Фоторезистор	1–1×108	10–3–10–8	4,2–300
Фотодиод		10–11	400 (макс)
p-i-n фотодиод		10–8–10–9
Фотодиод с барьером Шоттки		10–11
Лавинный фотодиод	102–104	10–10
Фототранзистор биполярный		10–8
Фототранзистор полевой		10–7
Лавинный фототранзистор	104–105	10–9–10–8

Простейшим типом фотоприемника является фоторезистор. Это один из наиболее чувствительных фотоприемников — он может иметь очень высокое внутреннее умножение фототока или малую инерционность. К сожалению, улучшение одного из этих параметров ухудшает другой. Требования к конструкции фоторезистора довольно противоречивы.

Оптопара (оптрон) — электронный прибор, состоящий из

- излучателя света (обычно — светодиод ),

- фотоприёмника (биполярных и полевых фототранзисторов,фотодиодов, фототиристоров, фоторезисторов), связанных оптическим каналом и как правило объединённых в общем корпусе.

Принцип работы оптрона заключается в преобразовании электрического сигнала в свет, его передаче по оптическому каналу и последующем преобразовании обратно в электрический сигнал.

Светодиоды и фотодиоды часто используются в паре. При этом они помещаются в один корпус таким образом, чтобы светочувствительная площадка фотодиода располагалась напротив излучающей площадки светодиода.

Рис. Оптрон: 1 – светодиод, 2 – фотодиод.

Рис. Различные виды оптронов.

По типу фотоприёмника

- с фоторезистором (резисторные оптопары),

- с фотодиодом,

- с биполярным (обычным или составным) фототранзистором,

- с фотогальваническим генератором (солнечной батарейкой); такие оптроны обычно снабжаются обычным полевым транзистором, затвором которого управляет фотогальванический генератор,

- с фототиристором или фотосимистором.

Оптроны с полевым транзистором или фотосимистором иногда именуют оптореле или твердотельным реле.

В настоящее время в оптоэлектронике можно выделить два направления.

Электронно-оптическое, основанное на принципе фотоэлектрического преобразования, реализуемого в твердом теле внутренним фотоэффектом и электролюминесценцией.

Оптическое, основанное на тонких эффектах взаимодействия твердого тела с электромагнитным излучением и использующее лазерную технику, голографию, фотохимию и т.д.

Существуют два класса оптических элементов, которые можно использовать при создании оптических ЭВМ:

Оптроны

Квантооптические элементы.

Они являются представителями соответственно электронно-оптического и оптического направлений.

Тип фотоприёмника определяет линейность передаточной функции оптрона. Наиболее линейны и тем самым пригодны для работы в аналоговых устройствах резисторные оптроны, затем — оптроны с приёмным фотодиодом или одиночным биполярным транзистором. Оптроны с составными биполярными транзисторами или полевыми транзисторами используются в импульсных (ключевых, цифровых) устройствах, в которых линейность передачи не требуется. Оптроны с фототиристорами применяются для гальванической развязки схем управления от цепей управления.

Использование

Оптроны имеют несколько областей применения, использующих их различные свойства:

Рис. Оптронный координатный счётчик в механической мыши.

Оптроны с открытым оптическим каналом, доступным для механического воздействия (перекрытия) используются как датчики во всевозможных детекторах наличия (например, детектор бумаги впринтере), датчиках конца (или начала), счётчиках и дискретных спидометрах на их базе (например, координатные счётчики в механической мыши, анемометры).

Гальваническая развязка

Оптроны используются для гальванической развязки цепей — передачи сигнала без передачи напряжения, для бесконтактного управления и защиты. Некоторые стандартные электрические интерфейсы, например, MIDI, предписывают обязательную оптронную развязку. Различают два основных типа оптронов, предназначенных для использования в цепях гальванической развязки: оптопары и оптореле. Основное отличие между ними в том, что оптопары, как правило, используются для передачи информации, а оптореле используется для коммутации сигнальных или силовых цепей.

Транзисторные или интегральные оптопары, как правило, применяются для гальванической развязки сигнальных цепей или цепей с малым током коммутации. В качестве коммутирующего элемента используются биполярные транзисторы, цепи управления цифровыми входами, специализированные цепи (например, для управления силовым MOSFET или IGBT).

Воспользуйтесь поиском по сайту: