Étudier les photodiodes
Objectif:Lisez le principe d'action, périphérique, caractéristiques et utilisation des photodiodes à semi-conducteurs.
Instruments et accessoires: Allemagne PhotoDiode FD-7G, support pour mesurer Volt-Ampere Caractéristiques des diodes, Banc optique avec illuminateur, alimentation, oscilloscope.
Administration théorique
Photodiodeune diode semi-conductrice est appelée une lumière sensible à la lumière et destinée à transformer le flux lumineux (rayonnement optique) à un signal électrique.
Sans différer le principe d'action de l'énergie solaire photographe, les photodiodes ont leurs caractéristiques de conception et leurs caractéristiques déterminées par leur objectif.
Les photodiodes sont destinées à être utilisées comme récepteurs et capteurs de rayonnement optique (généralement visibles et infrarouges) dans la composition de l'équipement et divers périphériques à l'aide d'un rayonnement visible et infrarouge.
La base du travail de photodiodes est le phénomène d'un effet photo interne, à laquelle des électrons et des trous supplémentaires (non équilibre), créant une photocopie ou des magnéads apparaissent dans le semi-conducteur sous l'action de la lumière dans le semi-conducteur.
1. Le principe de fonctionnement de photodiodes avec une p-n-transition.Dans les photodiodes, l'élément photosensible est la région de transition - la transition p-n-n-transition située entre les zones de conductivité électronique et de trous (Fig. 1).
Education p-n transition.Un semi-conducteur de type N contient une certaine quantité d'atomes de type donneur d'impureté, qui sont presque tous ionisées à la température ambiante. Ainsi, dans un tel semi-conducteur, il y a n sur des électrons libres et le même nombre d'ions chargés positivement fixes de l'impureté des donateurs.
Dans un semi-conducteur de trou (semi-conducteur de type P), une situation similaire est mise en œuvre. Il contient p sur des trous libres et autant d'ions chargés négativement des atomes accepteurs. Le principe de la formation de la transition P-N est illustré à la Fig. une.
Lors de la mise en contact des régions de p et n, en raison de la présence d'un gradient d'électrons et de concentrations de trous, le flux de diffusion d'électrons de la semi-conducteur de type N dans le semi-conducteur de type P et, au contraire, le flux des trous du p-semiconducteur dans le n-semi-conducteur. Les électrons qui se sont écoulés de la région N à la région P se recombinent de trous près de la bordure de la section. De même, les trous sont recombinants, tout en se déplaçant de la zone P sur la zone N. En conséquence, près de la transition P-N, il n'y a pratiquement pas de chargeurs de charge gratuits (électrons et trous).
Ainsi, des deux côtés de la transition P-N, une double couche chargée formée par des ions d'impuretés fixes (autres noms - une couche d'épuisement ou une zone de charge spatiale (orz), couche de verrouillage), qui crée un champ électrique puissant. Le champ électrique de la couche de verrouillage est dirigé de la région N à la région P et contrecarre le processus de diffusion des principales supports de charge des zones de la télécommande de la transition p-n à la zone épuisée. Un tel état est l'équilibre et en l'absence de perturbations externes peut exister pendant combien de temps.
Figure. 1 - La formation du riz p-n-transition. 2.
Le principe de fonctionnement de la photodiode. Le rayonnement optique (lumière) absorbé dans la structure semi-conductrice avec une transition p-n crée des paires gratuites de "trou d'électrons", à condition que l'énergie photon hν dépasse la largeur de la zone semi-conductrice interdite, par exemple.
Les électrons et les trous libres se posent à la fois dans les zones de transition P-et N et à proximité de la couche de verrouillage. Le champ électrique qui existe dans la couche de verrouillage (champ de transition PN) partage les supports de charge gratuits créés par la lumière en fonction de leur panneau dans différentes parties de la photodium: les électrons libres sont déplacés vers la région N de la transition et la Les trous sont déplacés vers la zone p, ce qui conduit à la charge de ces régions (Fig. 2).
Lorsqu'il est illuminé, accumulez-vous dans la zone P, la chargeant de manière positive. Les électrons s'accumulent dans la région N, chargant négativement. Par conséquent, entre eux, il y a une différence potentielle.
Avec cela, deux modes de fonctionnement de l'instrument sont possibles: dans les schémas avec une source d'alimentation externe et sans elle. Le mode de fonctionnement de la photodiode avec une source d'alimentation externe est appelé photodiode et sans source d'alimentation externe - Mode de génération PhotoEDP (un autre nom - Mode photovoltaïque).
Mode de génération.Dans ce cas, la transition n'est pas produite tension externe Et la chaîne est ouverte. L'éclairage conduit à l'accumulation de photoélectrons dans la région N et les trous de la zone P. En conséquence, la différence de potentiels u f est formée (souvent appelée "tension
Figure. 3 Fig.4 - Caractéristiques Volt-Ampere de PhotoDiode
avec différents flux de lumière (F 1< Ф 2 < Ф 3).
racking u xx "), c'est-à-dire que des photosdies apparaissent. L'accumulation d'excès d'électrons et de trous n'est pas irréfléchi. Dans le même temps, avec une augmentation de la concentration de trous dans la région du trou et des électrons dans la région d'électrons, une barrière de transition potentielle est réduite à la magnitude des magnadés et la diffusion des supports de charge principale à travers la transition PN se produit. . Il y a un équilibre dynamique.
Lorsqu'il est connecté aux sorties externes de la photodiode de la charge, le R N dans son circuit apparaîtra (Fig. 3). Dans la chaîne extérieure, le photocourant est dirigé de la région R dans la région N. Dans de telles conditions, la photodiode fonctionne comme un convertisseur d'énergie d'émission en énergie électrique.
Caractéristiques Volt-Ampere de la transition globulée P-N. Volt-ampère caractéristique de la transition p-n lorsque l'éclairage peut être écrit dans formulaire suivant:
,
(1)
où je n est le courant de saturation dans le noir; Je f - Phototok, c'est-à-dire créé par des transporteurs de frais de lumière excités et en passant par une transition p-n; U - Tension externe à la transition.
En figue. 4 Signifie des graphiques de dépendances Volt-Ampere à divers flux de lumière F. En l'absence d'éclairage (I φ \u003d 0), la caractéristique Volt-ampère (sombre) passe à travers l'origine des coordonnées. Les courbes restantes correspondant à certains flux de lumière sont décalées le long de l'axe d'ordonnée (axe des courants) sur des segments égaux à la résistance du photocourant - I F. De l'expression (1) on peut voir que lorsque le contraire est allumé (U< 0) и при
(Qu \u003e\u003e KT) Force actuelle à travers la transition I \u003d - (I N + I F).
Des parties des courbes situées dans le troisième quadrant correspondent au mode de fonctionnement de la photodiode): parties des courbes situées dans le quatrième mode de génération de photodes de photodes de photo.
Si dans le circuit extérieur, la valeur actuelle I \u003d 0 (le circuit est ouverte), puis de l'expression (1), vous pouvez trouver la tension de la course U F.
(2)
Si la photodiode du mode de génération est incluse dans la chaîne extérieure avec une faible résistance, les photocellrons in n-zones n'accumulent pas et n'accumulent pas et uf \u003d 0. Et car la tension externe est manquante, le circuit coule le courant i \u003d si , souvent appelé courant court-circuit et directement proportionnelle au flux de lumière I F. F.
Figure. cinq - Régime structurel Photodiode et schéma
son inclusion lorsque vous travaillez en mode photodiode: fig.6
1 - cristal semi-conducteur; 2 - contacts;
3 - Conclusions; F - flux électromagnétique
radiation; n et p - champs semi-conducteurs;
E-source courant continu; R n - charge.
Mode photodiode.Dans ce mode, la tension inverse est soumise à la p-n-transition
(La région P est connectée au moins de la source de tension et la région N au plus de la source; FIGUE. 5). Le schéma comprend également une résistance de charge (résistance) R n. Dans ce cas, la transition a une résistance considérable et un courant inverse faible circule à travers elle (courant de saturation dans l'obscurité I H). Lorsque la photodiode est éclairée, le courant augmente fortement en raison de la survenue du photocourent et de dépasser de manière significative le courant noir I H (Fig. 4). En conséquence, la tension tombe sur la résistance de la charge R n. Pour bon choix La tension et la résistance extérieure du r h sont la magnitude du signal électrique (la tension sur la résistance) peut être grande et donc des photodiodes sont largement utilisées pour enregistrer et mesurer des signaux lumineux.
Le courant via la photodiode est principalement déterminé par les flux de supports de charge non essentielle de non-équilibre (électrons dans la région P et des trous de la région N) résultant pendant l'éclairage et ne dépend pas de la tension, c'est-à-dire porte la nature de la saturation. Par conséquent, en mode photodiode, une dépendance linéaire stricte du photocourant de l'éclairage est observée jusqu'à de très grandes valeurs d'éclairage. C'est un avantage important des photodiodes.
Pour enregistrer des variables de signaux optiques (filetage de lumière), le diagramme illustré à la Fig. 6. Le flux de lumière changeant tombant sur la photodiode provoque le circuit avec un composant de courant variable qui répète les modifications de l'intensité de la lumière. Et sur la résistance R N, les mêmes changements dans la tension se produisent, ce qui entre dans l'entrée du système d'enregistrement. Pour séparer (pas manquer) le composant constant de la tension sur la résistance, dans le circuit de signal, il y a un condensateur de séparateur S.
2. Technologie de production et conception.Pour la fabrication de transitions R-N dans la production de photodiodes, la méthode d'impuretés et de diffusion est utilisée. L'accent est mis sur la profondeur de la transition R-N relative à
Fig.7 - Conception géranienne Fig.8 - Caractéristiques spectrales
photoDiode FD-1. Allemagne (1) et photodiodes de silicium (2).
la surface éclairée du cristal, car elle détermine l'inertie (vitesse) de la photodiode. La figure 7 montre la conception de la photodiode d'Allemagne PD-1 dans le boîtier métallique. Plaque ronde 1, sculptée à partir d'un seul cristal d'Allemagne avec une conductivité électrique de type N, consacré avec un porte-cristal 2 dans un boîtier de covarette 3. La sortie 4 de l'électrode Indiye, fusionnée en Allemagne, passée à travers un tube de covar 5 , fixé avec un isolant de verre 6 dans le corps du boîtier 7. Une autre électrode elle-même est le corps de la caméra elle-même, car le cristal de l'Allemagne est soudé sur le porte-cristal avec une bague d'étain 8. Il y a un trou rond dans le boîtier de photodium , Fermé avec une lentille en verre 9, qui recueille le flux de lumière à la surface limitée de la plaque allemande. Pour protéger la transition P-N de l'impact sur l'environnement de la photodiode, le boîtier est scellé.
Certains types de photodiodes ont un boîtier en plastique. Le matériau d'une telle coque et de telles fenêtres dans le boîtier métallique est choisi de manière à ce qu'ils soient transparents pour la partie du spectre (rayonnement) à laquelle cette photodiode doit être sensible. Ainsi, pour l'Allemagne, les appareils sont visibles de lumière et de rayonnement infrarouge à ondes courtes.
MatériauxÀ partir de laquelle les photodiodes sont fabriquées, servent GE, Si, GaAs, HGCDTE et d'autres connexions semi-conductrices.
Les principales caractéristiques et paramètres de photodiodes
- sensibilité S -le paramètre qui reflète la variation du signal électrique (courant ou tension) à la sortie de la photodiode lors de son éclairage.
Mesuré quantitativement par le rapport des modifications de la caractéristique électrique (force de courant I F ou la tension U F), retirée à la sortie de la photodium, au flux de flux, tombant sur l'appareil.
S i \u003d i f / f - Nettoyer la sensibilité, S v \u003d u f / f- Volt sensibilité.
- Seuil de sensibilité- la valeur du débit lumineux minimum enregistré par PhotoDiode, renvoyé à l'unité de bandes de fréquences de fonctionnement.
- Temps constant τ,ce qui caractérise l'inertie de l'appareil, c'est-à-dire sa vitesse.
Cette fois-ci pendant laquelle le photodium photocurrent change après illumination ou après que la photodiode est faible par rapport à la valeur constante.
Pour les photodiodes avec une transition p-n-transition, il mesure 10 -6 - 10 -8 s.
- Résistance sombre r t - résistance de la photodiode en l'absence d'éclairage.
- Caractéristique spectrale- la dépendance du photocourant de la longueur d'onde λ tombant sur la photodiode de la lumière. Pour les photodiodes de germanium et de silicium, les caractéristiques spectrales sont illustrées à la Fig.8. La longueur d'onde sur laquelle la sensibilité maximale représente les photododes de silicium est approximativement égale à λ max \u003d 800 - 900 nm, en Allemagne Photothiodes sous λ max \u003d 1500 - 1600 nm.
- Caractéristiques Volt-Ampere - Dépendance du courant de lumière de la tension à constante flux lumineux.
- Caractéristique de la lumière - La dépendance du photocourant de l'illumination.
Certains autres paramètres sont présentés dans le tableau.
La désignation graphique conditionnelle des photodiodes est illustrée à la Fig. 9, des photos de certaines photodiodes - à la Fig.10.
Figure. 9 Fig.10.
4. Application de photodiodes.Les photodiodes modernes possèdent la meilleure combinaison de paramètres de base:
1. Sensibilité élevée à signaux optiques;
2. grande vitesse;
3. Petite tension de travail;
4. Dépendance linéaire du photocourant de l'éclairage dans un large éventail d'éclairage.
5. niveau de bruit faible;
6. Dispositif facile.
Par conséquent, ils sont largement utilisés dans les appareils d'automatisation, de calcul et de laser, des lignes de communication à fibres optiques.
Dans la vie quotidienne, les photodiodes sont utilisées dans des instruments tels que des dispositifs de lecture de CD, des caméras modernes, divers appareils sensoriels.
Par exemple, des photodiodes infrarouges sont utilisées dans la console télécommande, Systèmes de protection, de sécurité et d'automatisation.
Il existe des photodiodes à rayons X utilisés pour enregistrer des rayonnements ionisants et des particules de haute énergie. Un des applications importantes - Dans les dispositifs médicaux, tels que les installations de tomographie calculée.
Compléter le travail
Exercice 1. Mesure caractéristiques Volt-Ampere Photodiode en l'absence d'éclairage (dans le noir).
PhotoDiode est une diode semi-conductrice qui dépend de l'éclairage. Habituellement, ce courant est signifié le courant inverse de la photodiode, car sa dépendance à l'encontre de l'éclairage est exprimée sur la commande plus que le courant continu. À l'avenir, nous parlerons exactement du courant inverse.
En général, la photodiode est une transition P-N ouverte pour un rayonnement léger. Sous l'influence de la lumière dans la zone p-N Transition Les porteuses de charge (électrons et trous) sont générées, qui passent à travers elle et provoquent une tension sur les sorties de la photodiode ou de l'écoulement dans la chaîne fermée.
PhotoDiode, selon son matériau, est conçu pour enregistrer le flux de lumière dans la plage de longueurs d'onde infrarouge, optique et ultraviolette. Les photodiodes sont fabriquées en silicium, en Allemagne, arsénide de la gluge, arsénide gallium Inde et autres matériaux.
Les photodiodes sont largement utilisées dans les systèmes de gestion, la métrologie, la robotique et d'autres domaines. Ils sont également utilisés dans le cadre d'autres composants, tels que Optopar, Optor. En référence aux microcontrôleurs, les photodiodes sont utilisées comme différents capteurs - Capteurs de terminaux, capteurs de lumière, distance, impulsion, etc.
Désignation dans les schémas
Sur le circuits électriques La photodiode est désignée sous forme de diode, avec deux arrodres dirigées vers elle. Les flèches symbolisent le rayonnement tombant sur la photodiode. Ne confondez pas avec la désignation de la LED, quelles flèches y sont dirigées.
La lettre de la photo de la photodiode peut être VD ou BL (PhotoCell).
Modes de photodiodes
La photodiode fonctionne dans deux modes: photodiode et photovoltaïque (photovoltaïque, générateur).
En mode photodiode, une source d'alimentation est utilisée qui déplace la photodiode dans la direction opposée. Dans ce cas, à travers la photodiode, le courant d'inverse s'écoule proportionnel au flux de lumière qui tombe dessus. Dans la plage de fonctionnement de la tension (c'est-à-dire avant la ventilation), ce courant est pratiquement indépendant de la tension de retour appliquée.
En mode photovoltaïque, la photodiode fonctionne sans source d'alimentation externe. Dans ce mode, il peut fonctionner comme un capteur ou un élément de puissance (batterie solaire), car sous l'influence de la lumière sur les sorties de la photodium, la tension apparaît, en fonction du rayonnement et du flux de charge.
Caractéristiques Volt-Ampere
Pour mieux faire face aux modes de la photodiode, il est nécessaire de considérer sa caractéristique voltauxe.
Le graphique est composé de 4 zones, dites quadrants. Le mode photodiode correspond à fonctionner dans le 3ème quadrant.
En l'absence de rayonnement, le graphique est une branche inverse des caractéristiques Voltamper d'une diode de semi-conducteur classique. Il y a un petit courant inverse, appelé courant thermique (sombre) de la transition P-N déplacée.
S'il y a un flux lumineux, la résistance de la photodium diminue et le courant inverse de la photodium augmente. Plus la lumière tombe, plus le courant inverse passe à travers la photodiode. La dépendance du courant inverse de la photodiode à partir du flux de lumière de ce mode est linéaire.
Du graphique, on peut voir que le courant inverse du photodium dépend faiblement de la tension inverse. Regardez la pente de la tension zéro à la tension de panne, il est petit.
Le mode photovoltaïque correspond au travail de la photodiode dans le 4ème quadrant. Et ici, vous pouvez distinguer deux cas limites:
Ralenti (xx),
- court-circuit (kz).
Le mode près du ralenti est utilisé pour obtenir de l'énergie de la photodium. C'est-à-dire que pour l'utilisation de la photodiode en tant que batterie solaire. Bien sûr, ce sera un peu d'un photodium et son efficacité est faible. Mais si vous connectez de nombreux éléments, une telle batterie peut être alimentée par un dispositif peu coûteux.
En mode court-circuit, la tension de la photodiode est proche de zéro et le courant d'inverse est directement proportionnel au flux de lumière. Ce mode est utilisé pour construire des capteurs photo.
Quel est l'avantage et les inconvénients de la photodiode et des modes photovoltaïques de travail? Le mode photodiode offre une plus grande vitesse de la photodium, mais dans ce mode, il y a toujours un courant sombre. Dans le photochang du courant noir, il n'y a pas, mais la vitesse des capteurs sera inférieure.
Photoresistor.
IMHO Vue éteinte. Dernière fois Je l'ai vu dans l'enfance. Habituellement, il s'agit d'un tel métal rond avec une fenêtre en verre qui nécessite un certain. Lorsqu'elle est allumée, sa résistance tombe, la vérité est légèrement différente, trois fois.
Phototransistor
Dernièrement, je les trébuche constamment, une source inépuisable de phototransistors - des lecteurs de cinq ans. La dernière fois que je, au prix de la boue, Nadybal sur le marché des puces radio, 5 châles des dispotes, il y a des translitors légers se trouvent en face des trous pour la commande et la rotation de la disquette. Un autre double phototransistor (et peut-être que la photodiode, aussi chanceuse) se tient dans la souris à balle habituelle.
On dirait une DEL ordinaire, seul le cas est transparent. Cependant, les LED sont également les mêmes afin qu'elles soient confondues lesquelles d'entre eux crachent parfois. Mais cela n'a pas d'importance, les partisans sont facilement calculés par le multimètre habituel. Il suffit d'allumer l'ohmmètre entre son émetteur et le collectionneur (il n'a pas de base) et briller dessus, comment sa résistance s'effondre simplement de manière catastrophique - avec des dizaines de kooms à lire ohm. Celui qui dans mes engrenages de détecteur de rotation dans le robot change sa résistance avec 100% à 30 ohms. Le phototransistor fonctionne comme celui habituel - maintient le courant, mais la base de la base n'est pas ici, mais le flux de lumière.
Photodiode
Extérieurement, il ne diffère pas du phototransistor ou de la LED régulière dans un cas transparent. Parfois, il existe des photodiodes anciennes dans des boîtiers métalliques. Ce sont généralement des dispositifs grondés, les marques FD-Cheto là-bas. Un tel cylindre en métal avec une fenêtre sur le visage et sort du câblage du cul.
Contrairement au phototransistor, peut travailler dans deux différents modes. Dans la photovoltaïque et la photodiode.
Dans la première, la photovoltaïque, la version, la photodiode se comporte comme une batterie solaire, c'est-à-dire qu'il l'a essayé - sur les sorties, il y avait une tension faible. Il peut être renforcé et appliquer \u003d). Mais beaucoup plus facile à travailler en mode photodiode. Nous appliquons ici à la tension inversée de la photodiode. Depuis qu'il, bien que la photo, mais une diode, puis dans verso La tension n'ira pas, ce qui signifie que sa résistance sera proche de la falaise, mais s'il est jumelé, la diode commencera à saigner et à résister qu'elle tombera fortement. Et brusquement, pour quelques commandes, comme un phototransistor.
Spectre
En plus du type de périphérique, il a toujours un spectre de travail. Par exemple, le photodétecteur est affûté au spectre infrarouge (et la plupart d'entre eux) ne répond pratiquement pas à la lumière du voyant vert ou bleu. Pauvre réagit à la lampe de la lumière du jour, mais réagit bien à la lampe à incandescence et à la LED rouge et il n'y a rien sur infrarouge et parler. Donc, ne soyez pas surpris si vous avez une photo de photo réagit mal à la lumière, vous avez peut-être un problème avec le spectre.
Lien
Il est maintenant temps de montrer comment le connecter au microcontrôleur. Avec un photorésistor, tout est clair, il n'y a pas de problèmes ici - vous prenez et dessinez dans le diagramme.
Avec photodiode et phototransistor plus difficile. Il est nécessaire de déterminer où il a une anode / cathode ou EMISER / collecteur. C'est juste fait. Vous prenez un multimètre, vous le mettez dans le mode sonnerie de diodes et accroché à votre capteur. Le multimètre de ce mode montre la chute de tension sur la diode / le transistor et la chute de tension ici dépend principalement de sa résistance U \u003d I * R. Nous prenons et clignotons le capteur en regardant le témoignage. Si le nombre a fortement diminué, vous avez deviné et le fil rouge que vous avez sur la cathode / le collecteur, et le noir sur l'anode / émetteur. Si non changé, changez les conclusions par endroits. Si cela n'a pas aidé, alors le détecteur est mort, ou si vous essayez d'obtenir une réaction de la DEL (à la manière, les voyants peuvent également servir de détecteurs de lumière, mais il n'y a pas aussi simple. Cependant, quand il y a Temps je vais vous montrer cette perversion technologique).
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Maintenant, sur le travail du régime, tout est élémentaire. Dans l'état sombre, la photodiode ne manque pas le courant dans la direction opposée, le photodransistor est également fermé et la résistance de la photoresistor est très élevée. La résistance d'entrée est proche de l'infini, ce qui signifie que l'entrée sera une unité logique complète de tension d'alimentation. Il vaut la peine d'écrire la diode / transistor / résistance lorsque la résistance tombe fortement, et la sortie s'avère étroitement sur le sol, bien ou très proche du sol. Dans tous les cas, la résistance sera bien inférieure à la résistance de 10 km, ce qui signifie que la tension disparaîtra fortement et sera quelque part au niveau de zéro logique. En AVR et PIC, vous pouvez même installer une résistance, suffisamment de bretelles internes. Donc, ddrx \u003d 0 portx \u003d 1 et vous serez heureux. Eh bien, en l'inversant comme un bouton régulier. La seule difficulté peut se produire avec le photoresistor - il n'a pas de résistance aussi fortement, il peut donc ne pas atteindre zéro. Mais ici, vous pouvez jouer la valeur de la résistance de serrage et le faire pour que les changements de résistance soient saisis dans la transition par un niveau logique.
S'il est nécessaire de mesurer l'éclairage et de ne pas capturer de manière bêtement la lumière / sombre, il sera nécessaire de tout attirer sur l'ADC et la résistance de pull-up pour faire des variables pour ajuster les paramètres.
Il y a toujours un type avancé de capteurs photo - Tsop. Il y a un détecteur de fréquence et un amplificateur intégré, mais je vais écrire un peu plus tard à son sujet.
Zy
J'ai des piles ici, de sorte que le site sera très occupé avec la mise à jour, je pense que c'est jusqu'à la fin du mois. Ensuite, j'espère revenir à l'ancien rythme.
Principe d'action des photodiodes
La photodiode à semi-conducteur est une diode semi-conductrice qui dépend de l'éclairage.
Habituellement, les diodes semi-conductrices sont utilisées comme photodium avec une transition, qui est décalée dans le sens opposé par une source d'alimentation externe. Lors de l'absorption de la lumière de la lumière dans p-N Transitione ou dans les régions adjacentes à elle sont formées de nouveaux transporteurs de charge. Les transporteurs de charge Nezore surviennent dans les zones adjacentes à la transition vers la transition à distance, pas la préjection », par la longueur de diffusion, diffuse dans la transition R-N et en passant * à travers elle sous l'action du champ électrique. C'est-à-dire que le courant d'inverse augmente lorsque l'éclairage augmente. L'absorption de Quanta directement dans la transition conduit à des résultats similaires. La valeur pour laquelle le courant inverse augmente est appelé photoc.
Caractéristiques des photodiodes
Les propriétés de la photodiode peuvent être décrites dans les caractéristiques suivantes:
La caractéristique Volt-Ampere de la photodiode est la dépendance du courant de lumière à un flux de lumière constant et un courant noir 1T de la tension.
La caractéristique de la lumière de la photodiode est due à la dépendance du photocourant de l'illumination. Avec une augmentation de l'éclairage, le photocourent augmente.
La caractéristique spectrale de la photodiode est la dépendance du photocourant de la longueur d'onde de la lumière qui tombe sur la photodiode. Il est déterminé pour les grandes longueurs d'onde de la longueur d'onde de la zone interdite et avec des longueurs d'onde basse, le plus grand indicateur d'absorption et l'augmentation de l'effet de la recombinaison de surface des supports de charge avec une diminution de la longueur d'onde de la lumière Quanta. C'est-à-dire que la limite de sensibilité aux ondes abrégées dépend de l'épaisseur de la base et de la vitesse de la recombinaison de surface. La position du maximum dans la caractéristique spectrale de la photodiode dépend fortement du degré de croissance du coefficient d'absorption.
La constante de temps est la période pendant laquelle la photo de photodiode change après illumination ou après la variation de la photodiode dans E Times (63%) par rapport à la valeur établie.
Résistance sombre - résistance de la photodiode en l'absence d'éclairage.
La sensibilité intégrale est déterminée par la formule:
où 1f - PhotoTock, F - Illumination.
Inertie
Il y a trois facteurs physiques affectant l'inertie:
1. Temps de diffusion ou supports de déséquilibre à travers la base T;
2. Temps de vol à travers la transition P-N;
3. barrière de temps de recharge capacité R-P Transitions caractérisées par la constante de temps de RC6AP.
Épaisseur r-N TransitionSelon la tension inverse et la concentration d'impuretés dans la base de données, généralement moins de 5 microns, et donc, T, - 0,1 non. RC6AP est déterminé par barrière capacité R-P Transition en fonction de la tension et de la résistance de la base de photodiode à une faible résistance à la charge dans la chaîne extérieure. RC6AP est généralement plusieurs nanosecondes.
Calcul de l'efficacité de la photodiode et de la puissance
L'efficacité est calculée par la formule:
où le VRS est l'éclairage; I - Force actuelle;
U est la tension sur la photodiode.
Le calcul de la puissance de la photodiode illustre la Fig. 2.12 et Tableau 2.1.
Figure. 2.12. La dépendance de la puissance de la photodiode de la tension et du courant
La puissance maximale de la photodium correspond à la zone maximale de ce rectangle.
Tableau 2.1. Dépendance de pouvoir sur l'efficacité
Puissance légère, MW
Force de courant
Voltage, B.
Application de photodiode dans Ollelectronics
PhotoDiode fait partie intégrante de nombreux dispositifs optoélectroniques complexes:
Optoélectronique microcircuits intégrés.
La photodiode peut avoir une vitesse supérieure, mais son gain du photocourant ne dépasse pas l'unité. Merci à la disponibilité connexion optique Les puces intégrées optoélectroniques ont un certain nombre d'avantages essentiels, à savoir: presque l'omission de la galvanoplastie parfaite des circuits de contrôle de la puissance tout en maintenant une connexion fonctionnelle forte entre elles.
Photodétecteurs multi-éléments.
Ces appareils (balayage, matrice de photodiode avec contrôle sur le transistor MOS, appareils photosensibles avec chargement commun Les deux autres) sont parmi les produits la plus rapide et progressif de la technologie électronique. L'option optoélectrique basée sur la photodiode est capable de réagir non seulement au temps lumineux, mais également sur les caractéristiques spatiales de l'objet, c'est-à-dire de percevoir son image visuelle complète.
Le nombre de cellules photosensibles dans l'appareil est assez volumineux, donc outre tous les problèmes du photodétecteur discret (sensibilité, vitesse, zone spectrale), il est nécessaire de résoudre le problème des informations de lecture. Tous les photodétecteurs multi-éléments sont des systèmes de numérisation, c'est-à-dire des périphériques qui permettent l'analyse de l'espace étudié en le visant régulièrement (décomposition d'élément).
Comment est la perception des images?
La distribution de la luminosité de l'objet d'observation se transforme en une image optique et se concentre sur la surface photosensible. Ici, l'énergie lumineuse passe en électricité, avec la réponse de chaque élément (courant, charge, tension) proportionnelle à son éclairage. Le motif de luminosité est converti en un relief électrique. Le schéma de numérisation produit une enquête séquentielle périodique de chaque élément et la lecture des informations contenues. Ensuite, à la sortie de l'appareil, nous obtenons une séquence d'impulsions vidéo dans lesquelles l'image perçue est codée.
Lors de la création de photodétecteurs multi-éléments, ils s'efforcent d'assurer la meilleure exécution des fonctions de conversion et de numérisation. Opro.
Opto s'appelle un tel dispositif optoélectronique dans lequel il existe une source et un récepteur de rayonnement avec l'un ou l'autre type de communication optique entre eux, combiné de manière constructive et placée dans un cas. Entre la chaîne de contrôle (le courant dans lequel est petit, sur plusieurs mA), où l'émetteur est allumé et l'exécutif, dans lequel le photodétecteur fonctionne, il n'y a pas de connexion électrique (galvanique) et les informations de contrôle sont transmises par moyen de rayonnement léger.
Cette propriété de la paire optoélectronique (et dans certains types d'optocoles, même Optophar est présente dans une autre autre, elle s'est avérée indispensable dans ces nœuds électroniques, où il est nécessaire de fixer l'effet du week-end. chaînes électriques sur l'entrée. Tous les éléments distincts (transistors, thyristors, microcircuits qui changent d'ensembles, ou une puce avec un rendement permettant de commuter la charge de puissance élevée) et les chaînes de direction sont connectées électriquement les unes aux autres. Il est souvent inacceptable si la charge haute tension est commutée. En outre, survenant retour Conduit inévitablement à l'apparition d'interférences supplémentaires.
Un photodétecteur constructif est généralement fixé au bas du boîtier et l'émetteur est en haut. L'écart entre l'émetteur et le photodétecteur est rempli de matériau d'immersion - la colle optique polymère fonctionne le plus souvent ce rôle. Ce matériau effectue le rôle d'une lentille de concentration sur une couche sensible du photodétecteur. Le matériau d'immersion est recouvert d'un film spécial reflétant les rayons lumineux à l'intérieur pour empêcher la diffusion de rayonnement au-delà de la zone de travail du photodétecteur.
Le rôle des émetteurs dans les optocoules, en règle générale, effectuer des voyants arsenid-gally-gallyes. Les éléments photosensibles des optocoupleurs peuvent être des photodiodes (optocoupleurs de la série ADD ...), des phototransistors, des phototrimistants (série d'optocromètre d'un Dee. ,.) et des systèmes de photowork hautement infectés. Dans une diode Optopar, par exemple, une photodiode basée sur le silicium est utilisée comme élément photodéteid et une diode d'émission infrarouge est servie par l'émetteur. La caractéristique spectrale maximale du rayonnement de la diode survient sur la longueur d'onde d'environ 1 μm. Les optocoupleurs de diode sont utilisés dans les modes de photodiode et de photogogénéération.
Les optiques du transistor (série AOT ...) ont des avantages par rapport à la diode. Le courant de collecteur du transistor bipolaire est contrôlé à la fois optiquement (agissant sur la LED) et électriquement selon la chaîne de base (dans ce cas, le travail du phototransistor en l'absence de rayonnement de la LED de contrôle optique n'est pratiquement pas différent de celui de la exploitation d'un transistor de silicium ordinaire). W. transistor de terrain Le contrôle est effectué à travers la chaîne d'obturation.
De plus, le phototransistor peut fonctionner dans des modes de clé et d'amplification, et la photodiode n'est que la clé. OPROES avec des transistors composites (par exemple, AOT1YUB), ont le plus grand gain (ainsi que l'ensemble habituel sur le transistor composite), peut basculer la tension et le courant de valeurs suffisamment volumineuses et selon ces paramètres uniquement par les optocoles thyristor et Le type optoélectronique de type KR293KP2 - KR293KP4, adapté à la commutation de chaînes à haute tension et à débit élevé. Aujourd'hui, de nouveaux relais optoélectroniques de la série K449 et K294 sont apparus sur le marché de la vente au détail. La série K449 vous permet de basculer la tension jusqu'à 400 V à un courant à 150 mA. De telles puces dans l'étui de trempette compact à quatre eaux arrivent à remplacer des relais électromagnétiques à faible puissance et présentent de nombreux avantages par rapport au relais (fonctionnement silencieux, fiabilité, durabilité, manque de contacts mécaniques, une large plage de tension de réponse) . En outre, leur prix abordable s'explique par le fait qu'il n'est pas nécessaire d'utiliser des métaux précieux (les contacts de swing sont couverts de relais).
Dans les optocoupleurs de résistance (par exemple, OEP-1) et les énergies sont une minibique à incandescence électrique, placée dans un cas.
Le code conditionnel est attribué à la notation graphique des Optocons. lettre latinaire U, après quoi le numéro de séquence de l'appareil est suivi dans le diagramme.
Le chapitre 3 du livre décrit les périphériques et les périphériques illustrant l'utilisation d'optocouples.
Photodiode simple C'est une diode semi-conductrice ordinaire, ce qui garantit la possibilité d'une exposition à un rayonnement optique sur la transition p-n.
Dans un état équilibré, lorsque le flux de rayonnement est absolument absent, la concentration de supports, la dispersion potentielle et le diagramme de la zone d'énergie de la photodium correspondent absolument à la structure P-N ordinaire.
Lorsqu'il est exposé au rayonnement dans la direction perpendiculaire au plan de transition P-N, à la suite d'une absorption de photons avec énergie, supérieure à la largeur de la zone illégale, les paires d'électrons apparaissent dans la région N. Ces électrons et trous sont appelés porte-photos.
Dans la diffusion de porte-photo dans la profondeur de la région N, le spin principal des électrons et des trous n'a pas le temps de recombiner et d'atteindre la frontière de la transition P-N. Ici, les supports photo sont divisés par un champ électronique de la p-n-transition, tandis que les trous sont déplacés vers la région P, et les électrons ne peuvent pas surmonter le champ de transition et s'accumuler au bord de la transition P-N et la région N.
Ainsi, le courant à travers la p-n-transition est justifié par la dérive des porteurs non centraux - trous. Les transporteurs photo de la dérive sont référés à phototok.
Photomasters - Les trous chargent la région P relatif à la région N et les transporteurs photographiques - Electrons - la N-Région négative par rapport à la région P. La différence de potentiel résultante est appelée meeds ef. Le courant généré dans la photodiode est une négociable, il est focalisé sur la cathode à l'anode, tandis que sa valeur est la plus grande, plus illumination.
Les photodiodes peuvent fonctionner dans l'un des modes à 2 modes - sans source externe d'énergie électronique (mode de photogogène) ou avec une source externe d'énergie électronique (mode convertisseur de photos).
Les photodiodes fonctionnant dans le mode du photogénérateur sont souvent utilisés comme sources d'alimentation qui modifient l'énergie de rayonnement solaire en électronique. Ils s'appellent Éléments ensoleillés Et inclus dans les panneaux solaires utilisés sur le vaisseau spatial et les satellites.
L'efficacité des pièces de silicium soleil est d'environ 20% et le soleil peut être considérablement plus important. Nécessaire paramètres techniques Les panneaux solaires sont les affaires de leur puissance de production à la masse et à la zone occupée par batterie solaire. Ces caractéristiques obtiennent des valeurs de 200 W / kg et 1 kW / m2, respectivement.
Lorsque la photodiode fonctionne dans le mode de conversion de la photo, la source d'alimentation E conduit dans un circuit dans la direction de verrouillage (Fig. 1, A). Les branches de liberté de photodiode sont utilisées à différents éclairages (Fig. 1, B).
Figure. 1. Schéma de commutation sur la photodium dans le mode de conversion de la photo: A est le schéma d'inclusion, B - FIRDOOOIO.
Le courant et la tension sur la résistance de chargement de RN peuvent être déterminés graphiquement par les points de passage des photos de la photodiode et de la bande de charge, respectivement résister à la résistance RN. En l'absence d'illumination, la photodiode fonctionne dans un mode de diode régulier. Le courant noir en Allemagne Photothiodes est de 10 à 30 μA, Silicon 1 - 3 μA.
Si dans les photodiodes utilisent une panne électronique réversible, accompagnée de multiplication d'avalanche des transporteurs de charge, comme dans la stabilisation des semi-conducteurs, puis un photocollage, et comme elle le devrait, et la sensibilité augmentera considérablement.
Sensibilité photodiodes avalanches Il peut s'agir de plusieurs ordres de grandeur supérieur à celui des photododes ordinaires (Allemagne - 200 - 300 fois, Silicon - 104 - 106 fois).
Les photodiodes à avalanche sont des dispositifs photoélectriques à grande vitesse, leur spectre de fréquence peut atteindre 10 GHz. Les photodiodes d'avalanche défectueuses sont plus plus haut niveau Bruit par comparaison avec des photodiodes ordinaires.
Figure. 2. Schéma de l'inclusion de la photoresistor (A), Hugo (B), Energy (B) et Volt-Ampere (D) propriétés du photoresistor.
Outre les photodiodes, des photothènesistors sont utilisés (fig. 2), des phototransistors et des photocatrices, dans lesquels la photoeffie interne est utilisée. L'inconvénient approprié d'eux est l'inertie la plus élevée (FRGE de fréquence de fonctionnement des limites
La conception du phototransistor est similaire au transistor ordinaire, qui a une fenêtre dans le cas à travers laquelle la base peut être allumée. Hugo PhotoTransistor - Transistor avec 2 flèches dirigées vers elle.
Les LED et les photodiodes sont souvent utilisés dans une paire. Avec tout cela, ils sont placés dans un cas de telle sorte que la plate-forme photosensible de la photodiode soit placée en face du site rayonnant de la LED. Des dispositifs semi-conducteurs utilisant les paires "LED-PhotoDiode" sont appelés optocoupleurs (Fig. 3).
Figure. 3. Oppon: 1 - LED, 2 - Photodiode
Les chaînes d'entrée et de sortie de ces périphériques ne sont pas connectées électriquement, car la transmission du signal est effectuée par rayonnement optique.
