Une place particulière dans l'électrotechnique est occupée par les photodiodes, qui sont utilisées dans divers appareils et appareils. Une photodiode est un élément semi-conducteur dont les propriétés sont similaires à celles d'une simple diode. Son courant inverse dépend directement de l'intensité du flux lumineux qui lui tombe dessus. Le plus souvent, les éléments semi-conducteurs avec jonction pn ohm.
Appareil et principe de fonctionnement
Une photodiode se trouve dans de nombreux appareils électroniques. Par conséquent, il a acquis une grande popularité. Une LED classique est une diode à jonction pn dont la conductivité dépend de la lumière incidente. Dans l'obscurité, la photodiode a les caractéristiques d'une diode classique.
1
- jonction semi-conductrice.
2
- pôle positif.
3
- couche photosensible.
4
- pôle négatif.
Lorsqu'un flux lumineux agit sur le plan de transition, les photons sont absorbés avec une énergie dépassant la valeur limite, par conséquent, des paires de porteurs de charge - des photoporteurs se forment dans la région n.
Lorsque les photoporteurs sont mélangés dans la profondeur de la région "n", la majeure partie des porteurs n'a pas le temps de se recombiner et passe à la frontière pn. A la transition, les photoporteurs sont divisés par un champ électrique. Dans ce cas, les trous vont dans la région "p", et les électrons ne peuvent pas traverser la transition, ils s'accumulent donc près de la limite de la transition p-n, ainsi que la région "n".
Le courant inverse de la diode est augmenté lorsqu'il est exposé à la lumière. La quantité par laquelle le courant inverse augmente est appelée photocourant.
Des photoporteurs en forme de trous réalisent une charge positive de la région "p" par rapport à la région "n". À leur tour, les électrons produisent une charge négative dans la région "n" par rapport à la région "p". La différence de potentiel résultante est appelée force photoélectromotrice et est désignée par "E f". Le courant électrique généré dans la photodiode est inversé et est dirigé de la cathode vers l'anode. De plus, sa valeur dépend de la quantité d'éclairage.
Modes de fonctionnement
Les photodiodes peuvent fonctionner dans les modes suivants :
- Mode générateur de photos ... Sans connecter la source d'électricité.
- Mode photoconvertisseur ... Avec connexion d'une alimentation externe.
Au travail photogénérateur des photodiodes sont utilisées à la place d'une alimentation qui convertit lumière du soleil en énergie électrique. De tels photogénérateurs sont appelés cellules solaires. Ce sont les principales parties des cellules solaires utilisées dans divers appareils, y compris les engins spatiaux.
Le rendement des cellules solaires à base de silicium est de 20 %, ce paramètre est beaucoup plus élevé pour les cellules à film. Une propriété importante des cellules solaires est la dépendance de la puissance de sortie au poids et à la surface de la couche sensible. Ces propriétés atteignent des valeurs de 200 W/kg et 1 kW/m 2.
Lorsque la photodiode fonctionne comme photoconvertisseur , la source de tension E est connectée au circuit avec une polarité inversée. Dans ce cas, des graphiques inversés des caractéristiques courant-tension sont utilisés à différents niveaux d'éclairage.
La tension et le courant à la charge R n sont déterminés sur le graphique par les intersections des caractéristiques de la photodiode et de la ligne de charge, qui correspond à la résistance R n. Dans l'obscurité, la photodiode équivaut à une diode ordinaire dans son action. Le courant dans le mode sombre pour les diodes au silicium varie de 1 à 3 microampères, pour les diodes au germanium de 10 à 30 microampères.
Types de photodiodes
Il existe plusieurs types de photodiodes qui ont leurs propres avantages.
p – je – mphotodiode
V zone p-n cette diode a une section à haute résistance et conductivité intrinsèque. Lorsqu'ils sont exposés à la lumière, des paires de trous et d'électrons sont générés. Le champ électrique dans cette zone a une valeur constante, il n'y a pas de charge d'espace.
Cette couche auxiliaire réduit considérablement la capacité de la couche barrière et ne dépend pas de la tension. Cela élargit la bande de fréquence de fonctionnement des diodes. En conséquence, la vitesse augmente fortement et la fréquence atteint 10 10 hertz. La résistance accrue de cette couche réduit considérablement le courant de fonctionnement en l'absence d'éclairage. Pour que le flux lumineux puisse pénétrer dans la couche p, celle-ci ne doit pas être épaisse.
Photodiodes d'avalanche
Ce type de diode est un semi-conducteur à haute sensibilité qui convertit l'éclairage en un signal. courant électrique en utilisant l'effet photo. Autrement dit, ce sont des photodétecteurs qui amplifient le signal sous l'effet de la multiplication des avalanches.
1
- contacts ohmiques 2
- revêtement antireflet Les photodiodes à avalanche sont plus sensibles que les autres photodétecteurs. Cela permet de les utiliser pour des puissances lumineuses faibles.
Les super-réseaux sont utilisés dans la conception de photodiodes à avalanche. Leur essence réside dans le fait que des différences significatives dans l'ionisation par impact des porteurs conduisent à une baisse du bruit.
Un autre avantage de l'utilisation de structures similaires est la localisation de la reproduction des avalanches. Il réduit également les interférences. Dans un super-réseau, l'épaisseur des couches varie de 100 à 500 angströms.
Principe de fonctionnement
A une tension inverse proche de la valeur du claquage par avalanche, le photocourant est fortement augmenté en raison de l'ionisation par impact des porteurs de charge. L'action consiste dans le fait que l'énergie de l'électron augmente à partir du champ extérieur et peut dépasser la limite d'ionisation de la substance, de sorte que la rencontre de cet électron avec un électron de la bande de valence conduira à l'apparition de une nouvelle paire d'un électron et d'un trou. Les porteurs de charge de cette paire seront accélérés par le champ et peuvent faciliter la formation de nouveaux porteurs de charge.
Caractéristiques
Les propriétés de telles diodes lumineuses peuvent être décrites par certaines dépendances.
Volt-ampère
Cette caractéristique est la dépendance de l'intensité du courant à flux lumineux constant sur la tension.
je- courant M- facteur de multiplication U- Tension Lumineux
Cette propriété est la dépendance du courant de la diode à l'éclairage. Avec une augmentation du flux lumineux, le photocourant augmente.
Spectral
Cette propriété est la dépendance du courant de diode sur la longueur d'onde de la lumière, et est la largeur de la zone limite.
La constante de temps
C'est le temps pendant lequel le photocourant de la diode change après l'apport de lumière par rapport à la valeur en régime établi.
Résistance aux ténèbres
C'est la valeur de résistance de la diode dans l'obscurité.
Inertie
Facteurs affectant cette caractéristique :
- Temps de diffusion des porteurs de charges hors d'équilibre.
- Temps de passage le long de la jonction pn.
- Capacité de recharge barrière pn transition.
Champ d'application
Les photodiodes sont les principaux éléments constitutifs de nombreux dispositifs optoélectroniques.
Microcircuits intégrés (optoélectronique)
La photodiode peut avoir une vitesse de fonctionnement importante, mais le facteur d'amplification actuel n'est pas supérieur à l'unité. Grâce à la connexion optique, les microcircuits présentent des avantages importants : une parfaite isolation galvanique des circuits de commande des circuits de puissance puissants. Dans le même temps, une connexion fonctionnelle est maintenue entre eux.
Détecteurs photo à éléments multiples
Ces dispositifs sous forme de barrette de photodiodes, un scanistor, sont de nouveaux dispositifs électroniques progressifs. Leur œil optoélectronique avec une photodiode peut créer une réaction aux propriétés spatiales et de luminosité des objets. En d'autres termes, il peut voir son image visuelle complète.
Le nombre de cellules photosensibles est très important. Par conséquent, en plus des problèmes de vitesse et de sensibilité, il est nécessaire de lire les informations. Tous les photodétecteurs à photocellules multiples sont des systèmes de balayage, c'est-à-dire des dispositifs qui vous permettent d'analyser l'espace à l'étude par une visualisation séquentielle élément par élément.
Les photodiodes sont également largement utilisées dans les lignes à fibre optique, les télémètres laser. Récemment, de telles diodes lumineuses ont été utilisées en tomographie par émission de positons.
Actuellement, il existe des échantillons de matrices photosensibles constituées de photodiodes à avalanche. Leur efficacité et leur portée dépendent de certains facteurs.
Les facteurs suivants se sont avérés les plus influents :
- Le courant de fuite total généré en ajoutant du bruit et du courant en l'absence de lumière.
- L'efficacité quantique, qui détermine la fraction des quanta incidents qui conduisent à l'émergence de porteurs de courant et de charge.
Travaux de laboratoire n°16
Examen d'une photodiode
Cibler: Familiarisez-vous avec le principe de fonctionnement, le dispositif, les caractéristiques et l'application des photodiodes à semi-conducteur.
Appareils et accessoires : photodiode germanium FD-7G, support de mesure des caractéristiques courant-tension des diodes, banc optique avec illuminateur, alimentation, oscilloscope.
Introduction théorique
photodiode est appelée diode semi-conductrice sensible à la lumière et conçue pour convertir un flux lumineux (rayonnement optique) en un signal électrique.
Ne différant pas en principe de fonctionnement d'un photoconvertisseur d'énergie solaire, les photodiodes ont leurs propres caractéristiques et caractéristiques de conception, qui sont déterminées par leur objectif.
Les photodiodes sont destinées à être utilisées comme récepteurs et capteurs de rayonnement optique (généralement visible et infrarouge) dans les équipements et divers appareils qui utilisent le rayonnement visible et infrarouge.
Le fonctionnement des photodiodes est basé sur le phénomène d'un effet photoélectrique interne, dans lequel, sous l'action de la lumière, des électrons et des trous supplémentaires (hors d'équilibre) apparaissent dans un semi-conducteur, créant un photocourant ou une tension photovoltaïque.
1. Le principe de fonctionnement des photodiodes à jonction p-n. Dans les photodiodes, l'élément photosensible est une région de transition - une jonction p-n située entre les régions à conduction électronique et trou (Fig. 1).
Formation d'une jonction p-n. Un semi-conducteur de type n contient un certain nombre d'atomes d'impuretés de type donneur, qui sont pratiquement tous ionisés à température ambiante. Ainsi, dans un tel semi-conducteur, il y a n о électrons libres et le même nombre d'ions fixes chargés positivement de l'impureté donneuse.
Dans un semi-conducteur à trous (semiconducteur de type p), une situation similaire est réalisée. Il contient p о trous libres et le même nombre d'ions chargés négativement d'atomes accepteurs. Le principe de la formation de la jonction p-n est illustré à la Fig. un.
Lorsque les régions p et n y entrent en contact, en raison de la présence d'un gradient dans les concentrations d'électrons et de trous, un flux de diffusion d'électrons se produit du semi-conducteur de type n au semi-conducteur de type p et, inversement , le flux de trous du semi-conducteur p au semi-conducteur n. Les électrons qui sont passés de la région n à la région p se recombinent avec des trous près de l'interface. Les trous se recombinent de manière similaire, passant de la région p à la région n. En conséquence, il n'y a pratiquement pas de porteurs de charge gratuits (électrons et trous) à proximité de la jonction pn.
Ainsi, des deux côtés de la jonction pn, une double couche chargée formée d'ions d'impuretés immobiles est formée (d'autres noms sont une couche d'appauvrissement ou une région de charge d'espace (SCR), une couche de blocage), qui crée un fort champ électrique. Le champ électrique de la couche de blocage est dirigé de la région n vers la région p et contrecarre le processus de diffusion des porteurs de charge majoritaires des régions éloignées de la jonction p-n dans la région appauvrie. Un tel état est l'équilibre et en l'absence de perturbations extérieures, il peut exister pendant un temps arbitrairement long.
Riz. 1 - Formation de la jonction p-n Fig. 2
Le principe de la photodiode. Le rayonnement optique (lumière) absorbé dans une structure semi-conductrice avec une jonction pn crée des paires électron-trou libres à condition que l'énergie photonique hν dépasse la bande interdite semi-conductrice Eg.
Des électrons libres et des trous apparaissent à la fois dans les régions de transition p et n et à proximité immédiate de la couche de blocage. Le champ électrique existant dans la couche de blocage (champ de jonction pn) sépare les porteurs de charge libres créés par la lumière, en fonction de leur signe, vers différentes parties de la photodiode : les électrons libres se déplacent vers la région de jonction n, et les trous se déplacent vers la région p, qui conduit à la charge de ces zones (Fig. 2).
Lorsqu'ils sont illuminés, les trous s'accumulent dans la région p, la chargeant positivement. Les électrons s'accumulent dans la région n, la chargeant négativement. Par conséquent, une différence potentielle apparaît entre eux.
Dans ce cas, deux modes de fonctionnement de l'appareil sont possibles : dans des circuits avec et sans source d'alimentation externe. Le mode de fonctionnement d'une photodiode avec une source d'alimentation externe est appelé photodiode, et sans source d'alimentation externe, il est appelé mode de production d'énergie photovoltaïque (un autre nom est mode photovoltaïque).
Mode de génération. Dans ce cas, aucune tension externe n'est appliquée à la jonction et le circuit est ouvert. L'éclairage conduit à l'accumulation de photoélectrons dans la région n et de trous dans la région p. En conséquence, une différence de potentiel U f est formée (souvent appelée « tension
Riz. 3 Fig. 4 - Caractéristiques courant-tension de la photodiode
à différents flux lumineux (F 1< Ф 2 < Ф 3).
au ralenti U xx "), c'est-à-dire que la photo emf apparaît. L'accumulation d'électrons et de trous en excès n'est pas illimitée. Simultanément à une augmentation de la concentration de trous dans la région des trous et des électrons dans la région électronique, la barrière de potentiel de la transition diminue de la valeur du photovoltage et la diffusion des porteurs de charge majoritaires à travers la jonction pn se produit. L'équilibre dynamique s'installe.
Lorsque la charge R n est connectée aux bornes externes de la photodiode, un courant apparaîtra dans son circuit (Fig. 3). Dans le circuit externe, le photocourant est dirigé de la région p vers la région n. Dans de telles conditions, la photodiode fonctionne comme un convertisseur d'énergie de rayonnement en énergie électrique.
Caractéristique courant-tension de la jonction pn éclairée. La caractéristique courant-tension de la jonction pn sous éclairement peut s'écrire comme suit :
,
(1)
où I n - courant de saturation dans l'obscurité; I f - photocourant, c'est-à-dire le courant créé par les porteurs de charge excités par la lumière et passant par la jonction pn; U - tension externe à la jonction.
En figue. 4 montre les graphiques des dépendances volt-ampère à différents flux lumineux F. En l'absence d'éclairement (I f = 0), la caractéristique volt-ampère (sombre) passe par l'origine. Le reste des courbes correspondant à certains flux lumineux sont décalés en ordonnée (axe du courant) en segments égaux à l'intensité du photocourant - I f. De l'expression (1), on peut voir qu'avec la connexion inverse (U< 0) и при
(qU >> kT) intensité du courant à travers la transition I = - (I n + I ph).
Les parties de courbes situées dans le troisième quadrant correspondent au mode de fonctionnement de la photodiode) : les parties de courbes situées dans le quatrième quadrant correspondent au mode de génération de phototension.
Si dans le circuit externe l'intensité du courant est I = 0 (le circuit est ouvert), alors à partir de l'expression (1), vous pouvez trouver la tension de circuit ouvert U f.
(2)
Si une photodiode en mode génération est connectée à un circuit externe à faible résistance, les photoélectrons de la région n ne s'accumulent pas et U f = 0. Et comme il n'y a pas de tension externe, alors un courant I = - I f circule dans le circuit, souvent appelé courant de court-circuit et directement proportionnel flux lumineux Je f ~ F.
Riz. 5 - Schéma fonctionnel de la photodiode et du circuit
l'allumer lorsque l'on travaille en mode photodiode : Fig. 6
1 - cristal semi-conducteur; 2 - contacts;
3 - conclusions ; F - flux électromagnétique
radiation; n et p sont des régions semi-conductrices ;
E - source courant continu; R n - charge.
Mode photodiode. Dans ce mode, une tension inverse est appliquée à la jonction pn
(la région p est connectée au moins de la source de tension et la région n au plus de la source ; Fig. 5). Le circuit comprend également une résistance de charge (résistance) R n. Dans ce cas, la transition a une résistance énorme et un faible courant inverse la traverse (courant de saturation dans l'obscurité I n). Lorsque la photodiode est éclairée, le courant qui la traverse augmente fortement en raison de l'apparition du photocourant et peut dépasser de manière significative le courant d'obscurité I n (Fig. 4). En conséquence, la chute de tension aux bornes de la résistance de charge R n change également. À le bon choix La tension de la source et la résistance externe R et l'amplitude du signal électrique (tension aux bornes de la résistance) peuvent être importantes et, par conséquent, les photodiodes sont largement utilisées pour enregistrer et mesurer les signaux lumineux.
Le courant traversant la photodiode est principalement déterminé par les flux de porteurs de charge mineurs hors d'équilibre (électrons dans la région p et trous dans la région n) apparaissant sous l'éclairage, et ne dépend pas de la tension, c'est-à-dire qu'il a le caractère d'un courant de saturation. Ainsi, dans le mode photodiode, on observe une dépendance linéaire stricte du photocourant vis-à-vis de l'éclairement jusqu'à des valeurs d'éclairement très élevées. C'est un avantage important des photodiodes.
Pour enregistrer des signaux optiques variables (flux lumineux), le schéma illustré à la Fig. 6. Le flux lumineux variable incident sur la photodiode provoque une composante de courant alternatif dans le circuit, qui répète les changements d'intensité lumineuse. Et sur la résistance R n, les mêmes changements de tension se produisent, qui sont transmis à l'entrée du système d'enregistrement. Pour séparer (ne pas manquer) la composante continue de la tension aux bornes de la résistance, il y a un condensateur de blocage C dans le circuit de signal.
2. Technologie de fabrication et conception. Pour la fabrication de jonctions pn dans la fabrication de photodiodes, la méthode de fusion d'impuretés et de diffusion est utilisée. Dans ce cas, l'attention principale est portée sur la profondeur de la jonction pn par rapport à
Fig. 7 - Structure du géranium Fig. 8 - Caractéristiques spectrales
photodiode FD-1. photodiodes au germanium (1) et au silicium (2).
surface cristalline éclairée, car elle détermine l'inertie (vitesse) de la photodiode. La figure 7 montre la conception d'une photodiode au germanium FD-1 dans un boîtier métallique. Une plaque ronde 1, taillée dans un monocristal de germanium à conductivité de type n, est fixée avec un porte-cristal 2 dans un boîtier en kovar 3. Le plomb 4 d'une électrode d'indium fondue dans du germanium est passé à travers un tube en kovar 5, fixé avec un isolant en verre 6 dans la jambe du boîtier 7. Une autre électrode est le corps de la photodiode elle-même, puisque le cristal de germanium est soudé au support de cristal avec un anneau d'étain 8. Le corps de la photodiode a un trou rond recouvert d'un verre lentille 9, qui capte le flux lumineux sur la surface limitée de la plaque de germanium. Pour protéger la jonction pn des influences environnementales, le boîtier de la photodiode est scellé.
Certains types de photodiodes ont un boîtier en plastique. Le matériau d'un tel boîtier et d'une fenêtre dans un boîtier métallique est choisi pour qu'ils soient transparents pour la partie du spectre (rayonnement) à laquelle cette photodiode doit être sensible. Ainsi, pour les appareils au germanium, il s'agit de la lumière visible et du rayonnement infrarouge à ondes courtes.
Matériaux, à partir desquels les photodiodes sont fabriquées, sont le Ge, le Si, le GaAs, le HgCdTe et d'autres composés semi-conducteurs.
Principales caractéristiques et paramètres des photodiodes
- Sensibilité S - un paramètre qui reflète la variation du signal électrique (courant ou tension) à la sortie de la photodiode lorsqu'elle est allumée.
Elle est mesurée quantitativement par le rapport de l'évolution des caractéristiques électriques (courant I ph ou tension U ph) prise en sortie de la photodiode sur le flux de rayonnement Ф tombant sur l'appareil.
S I = I f / f- sensibilité au courant, S v = U f / f- sensibilité à la tension.
- Seuil de sensibilité p- la valeur du flux lumineux minimum enregistré par la photodiode, rapportée à l'unité de la bande de fréquence de fonctionnement.
- Constante de temps , qui caractérise l'inertie du dispositif, c'est-à-dire ses performances.
C'est le temps pendant lequel le photocourant de la photodiode change après éclairement ou après assombrissement de la photodiode d'un facteur e par rapport à la valeur en régime établi.
Pour les photodiodes à jonction pn, elle est de 10 -6 - 10 -8 s.
- Résistance à l'obscurité R T- résistance de la photodiode en l'absence d'éclairement.
- Caractéristique spectrale- dépendance du photocourant à la longueur d'onde de la lumière incidente sur la photodiode. Pour les photodiodes au germanium et au silicium, les caractéristiques spectrales sont présentées sur la figure 8. La longueur d'onde à laquelle tombe la sensibilité maximale est approximativement égale à max = 800 - 900 nm pour les photodiodes au silicium, tandis que pour les photodiodes au germanium elle est à max = 1500 - 1600 nm.
- Caractéristiques du volt-ampère- la dépendance du courant lumineux à la tension à flux lumineux constant.
- Caractéristique lumineuse - dépendance du photocourant à l'éclairage.
Certains autres paramètres sont indiqués dans le tableau.
La désignation graphique conventionnelle des photodiodes est illustrée sur la figure 9, des photographies de certaines photodiodes sont illustrées sur la figure 10.
Riz. 10
4. Application de photodiodes. Les photodiodes modernes ont la meilleure combinaison de paramètres de base :
1. Haute sensibilité aux signaux optiques ;
2. Hautes performances ;
3. Basse tension de fonctionnement ;
4. Dépendance linéaire du photocourant sur l'éclairage dans une large plage d'éclairage.
5. Faible niveau de bruit ;
6. Simplicité de l'appareil.
Par conséquent, ils sont largement utilisés dans les dispositifs d'automatisation, la technologie informatique et laser, les lignes de communication à fibre optique.
Dans la vie de tous les jours, les photodiodes sont utilisées dans des appareils tels que des lecteurs de CD-ROM, des appareils photo modernes et divers capteurs.
Par exemple, les photodiodes infrarouges sont utilisées dans les télécommandes télécommande, systèmes de sécurité, de sécurité et d'automatisation.
Il existe des photodiodes à rayons X utilisées pour détecter les rayonnements ionisants et les particules à haute énergie. Un des applications importantes- dans les dispositifs médicaux, par exemple, dans les installations de tomodensitométrie.
Achèvement des travaux
Exercice 1. Mesure de la caractéristique courant-tension de la photodiode en l'absence d'éclairement (dans l'obscurité).
La photodiode la plus simple est une diode semi-conductrice conventionnelle, qui permet d'influencer le rayonnement optique sur la jonction p-n.
A l'état d'équilibre, lorsque le flux de rayonnement est complètement absent, la concentration en porteurs, la distribution de potentiel et le diagramme de bande d'énergie de la photodiode correspondent complètement à la structure pn habituelle.
Lorsqu'elles sont exposées à un rayonnement dans la direction perpendiculaire au plan de la jonction p-n, en raison de l'absorption de photons avec des énergies supérieures à la bande interdite, des paires électron-trou apparaissent dans la région n. Ces électrons et trous sont appelés photoporteurs.
Lors de la diffusion des photoporteurs profondément dans la région n, la majorité des électrons et des trous n'ont pas le temps de se recombiner et atteignent la limite de jonction p – n. Ici, les photoporteurs sont séparés par le champ électrique de la jonction p - n, et les trous passent dans la région p, et les électrons ne peuvent pas surmonter le champ de transition et s'accumuler à la frontière de la jonction p - n et de la région n .
Ainsi, le courant traversant la jonction p – n est dû à la dérive des porteurs minoritaires - trous. Le courant de dérive des photoporteurs est appelé photocourant.
Photoporteurs - les trous chargent la région p positivement par rapport à la région n, et les photoporteurs - les électrons - la région n négativement par rapport à la région p. La différence de potentiel résultante est appelée photo-emf Ef. Le courant généré dans la photodiode est inverse, il est dirigé de la cathode vers l'anode et sa valeur est d'autant plus grande que l'éclairement est important.
Les photodiodes peuvent fonctionner dans l'un des deux modes - sans source d'énergie électrique externe (mode photogénérateur) ou avec une source d'énergie électrique externe (mode photoconvertisseur).
Les photodiodes fonctionnant en mode photogénérateur sont souvent utilisées comme sources d'énergie qui convertissent l'énergie solaire en énergie électrique. Ils s'appellent cellules solaires et font partie des panneaux solaires utilisés dans les engins spatiaux.
L'efficacité des cellules solaires au silicium est d'environ 20%, tandis que pour les cellules solaires à film, elle peut être beaucoup plus importante. Les paramètres techniques importants des cellules solaires sont le rapport entre leur puissance de sortie et la masse et la surface occupée par la cellule solaire. Ces paramètres atteignent des valeurs de 200 W/kg et 1 kW/m2, respectivement.
Lorsque la photodiode fonctionne en mode photoconversion, l'alimentation E est connectée au circuit dans le sens du blocage (Fig. 1, a). Les branches inverses de la caractéristique I – V de la photodiode sont utilisées à différents niveaux d'éclairement (Fig. 1, b).
Riz. 1. Schéma d'allumage de la photodiode en mode photoconversion: a - circuit de commutation, b - CVC de la photodiode
Le courant et la tension aux bornes de la résistance de charge Rн peuvent être déterminés graphiquement à partir des points d'intersection de la caractéristique courant-tension de la photodiode et de la ligne de charge correspondant à la résistance de la résistance Rн. En l'absence d'éclairement, la photodiode fonctionne sur le mode d'une diode classique. Le courant d'obscurité pour les photodiodes au germanium est de 10 à 30 A, pour les photodiodes au silicium de 1 à 3 A.
Si un claquage électrique réversible est utilisé dans les photodiodes, accompagné d'une multiplication par avalanche des porteurs de charge, comme dans les diodes Zener à semi-conducteur, alors le photocourant, et donc la sensibilité, augmentera de manière significative.
Sensibilité photodiodes à avalanche peut être plusieurs ordres de grandeur supérieur à celui des photodiodes conventionnelles (pour le germanium - 200 - 300 fois, pour le silicium - 104 - 106 fois).
Les photodiodes à avalanche sont des dispositifs photovoltaïques à action rapide avec une plage de fréquences allant jusqu'à 10 GHz. L'inconvénient des photodiodes à avalanche est plus haut niveau bruit par rapport aux photodiodes conventionnelles.
Riz. 2. Schéma d'allumage de la photorésistance (a), UGO (b), énergie (c) et caractéristiques courant-tension (d) de la photorésistance
En plus des photodiodes, des photorésistances sont utilisées (Fig. 2), phototransistors et des photothyristors utilisant un effet photoélectrique interne. Leur inconvénient caractéristique est leur forte inertie (fréquence de coupure fgr
La conception du phototransistor est similaire à un transistor conventionnel, qui a une fenêtre dans le boîtier à travers laquelle la base peut être éclairée. Phototransistor UGO - un transistor avec deux flèches dirigées vers lui.
Les LED et les photodiodes sont souvent utilisées par paires. Dans ce cas, ils sont placés dans un boîtier de manière à ce que la zone photosensible de la photodiode soit située en face de la zone émettrice de la LED. Les dispositifs semi-conducteurs utilisant des paires LED-photodiode sont appelés (Fig. 3).
Riz. 3. Optocoupleur : 1 - LED, 2 - photodiode
Les circuits d'entrée et de sortie de ces dispositifs ne sont en aucun cas connectés électriquement, car le signal est transmis par rayonnement optique.
Potapov L.A.
La photodiode est activement utilisée dans les appareils électroniques modernes, d'après son nom, il devient clair que l'appareil est une construction utilisant un semi-conducteur, alors considérons ce qu'est une photodiode Une photodiode est une diode semi-conductrice qui a la propriété de conductivité unilatérale lorsqu'elle est exposée au rayonnement optique. Une photodiode est un cristal semi-conducteur, généralement avec une jonction électron-trou (PN). Il a deux fils métalliques et est monté dans un boîtier en plastique ou en métal.
Il existe deux modes de fonctionnement de la photodiode.
1) photodiode - lorsqu'une source de courant constant est contenue dans le circuit externe de la photodiode, ce qui crée une polarisation inverse à la jonction et une vanne lorsqu'il n'y a pas une telle source. En mode photodiode, la photodiode, comme la photorésistance, est utilisée pour contrôler le courant. Le photocourant d'une photodiode dépend fortement de l'intensité du rayonnement incident et ne dépend pas de la tension de polarisation.
2) Mode valve - lorsqu'une photodiode, comme une cellule photoélectrique, est utilisée comme générateur EMF.
Les principaux paramètres de la photodiode sont le seuil de sensibilité, le niveau de bruit, la plage de sensibilité spectrale est de l'ordre de 0,3 à 15 microns (micromètres), l'inertie est le temps de récupération du photocourant.Il existe également des photodiodes à structure droite La photodiode est un élément constitutif de nombreux dispositifs optoélectroniques. ... les photodiodes et les photodétecteurs sont largement utilisés dans les paires d'oprons, récepteurs de rayonnement de signaux vidéo-audio. Il est largement utilisé pour recevoir un signal des diodes laser dans les lecteurs de CD et de DVD.
Le signal de la diode laser, qui contient des informations codées, pénètre d'abord dans la photodiode, qui dans ces appareils a une conception complexe, puis, après décodage, les informations sont transmises au processeur central, où, après traitement, elles sont converties en un audio ou signal vidéo. Tous les lecteurs de disquettes modernes fonctionnent sur ce principe. Les photodiodes sont également utilisées dans divers dispositifs de sécurité, dans les détecteurs de mouvement et de présence infrarouges. Un autre examen pour un radioamateur novice a pris fin, bonne chance dans le monde de la radioélectronique - AKA.
Théorie pour débutants
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Les photodiodes sont des éléments semi-conducteurs à photosensibilité. Leur fonction principale est de transformer le flux lumineux en un signal électrique. De tels semi-conducteurs sont utilisés dans divers dispositifs dont le fonctionnement repose sur l'utilisation de flux lumineux.
Comment fonctionnent les photodiodesLa base de l'action des éléments photodiodes est l'effet photoélectrique interne. Elle consiste en l'apparition dans un semi-conducteur sous l'influence d'un flux lumineux d'électrons hors d'équilibre et de trous (c'est-à-dire des atomes avec un espace pour les électrons), qui forment une force photoélectromotrice.
Si le semi-conducteur est dans l'obscurité, ses propriétés sont similaires à celles d'une diode conventionnelle. Si vous faites sonner le testeur en l'absence d'éclairage, les résultats seront similaires au test d'une diode classique. Dans le sens direct, il y aura peu de résistance, dans le sens opposé la flèche restera à zéro. Circuit photodiode
Modes de fonctionnementLes photodiodes sont divisées selon le mode de fonctionnement. Mode générateur de photosElle s'effectue sans source d'alimentation. Les photogénérateurs, qui sont des composants des panneaux solaires, sont également appelés « cellules solaires ». Leur fonction est de convertir l'énergie solaire en énergie électrique. Les photogénérateurs les plus courants sont à base de silicium - bon marché, répandu, bien étudié. Ils ont un faible coût, mais leur efficacité n'atteint que 20 %. Les éléments du film sont plus progressifs. Mode de conversion de photosL'alimentation du circuit est connectée avec une polarité inversée, la photodiode dans ce cas sert de capteur de lumière. Réglages principauxLes propriétés des photodiodes déterminent les caractéristiques suivantes :
En quoi consiste une photodiode ?
Variétés de photodiodesÉpinglerCes semi-conducteurs se caractérisent par la présence dans la zone de jonction p-n d'une section qui a sa propre conductivité et une valeur de résistance importante. Lorsque le flux lumineux atteint cette section, des paires de trous et d'électrons apparaissent. Le champ électrique dans cette zone est constant, il n'y a pas de charge d'espace. Cette couche auxiliaire étend la plage de fréquences de fonctionnement du semi-conducteur. Par objectif fonctionnel Les photodiodes p-i-n-sont divisées en détecteur, mélange, paramétrique, limitation, multiplication, réglage et autres. avalancheCette espèce est très sensible. Sa fonction est de convertir le flux lumineux en un signal électrique, amplifié grâce à l'effet multiplicateur d'avalanche. Il peut être utilisé dans des conditions de faible flux lumineux. Les photodiodes à avalanche utilisent des super-réseaux pour réduire le bruit de transmission du signal. barrière SchottkyIl se compose d'un métal et d'un semi-conducteur, autour de la jonction desquels un champ électrique est créé. La principale différence avec les photodiodes conventionnelles de type p-i-n est l'utilisation de supports de charge de base et non supplémentaires. HétérostructureFormé de deux semi-conducteurs avec des bandes interdites différentes. La couche entre eux est dite hétérogène. En sélectionnant de tels semi-conducteurs, il est possible de créer un dispositif qui fonctionne sur toute la gamme de longueurs d'onde. Son inconvénient est la grande complexité de fabrication. Applications des photodiodes
Autres domaines d'utilisation : lignes à fibres optiques, télémètres laser, installations de tomographie par émission de positons. |
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Photodiodes
Il est d'usage d'appeler une photodiode un dispositif semi-conducteur à une jonction pn, dont la caractéristique courant-tension dépend de la lumière qui agit dessus.
Désignation graphique, structure et apparence les photodiodes sont représentées sur la Fig. 17.6.
Riz. 17.6. Photodiode :
a - désignation graphique conventionnelle ; b - structure; c - apparence
La photodiode la plus simple est une diode semi-conductrice conventionnelle, qui permet d'influencer le rayonnement optique sur la jonction pn. Dans un état d'équilibre, lorsque le flux de rayonnement est complètement absent, la concentration de porteurs, la distribution de potentiel et le diagramme de bande d'énergie de la photodiode sont parfaitement cohérents pn normal transition (voir fig. 1.3).
Lorsqu'elles sont exposées à un rayonnement dans la direction perpendiculaire au plan de la jonction p-n, du fait de l'absorption de photons d'une énergie supérieure à la bande interdite, des paires électron-trou apparaissent dans la région n. Ces électrons et trous sont appelés photoporteurs. Lors de la diffusion des photoporteurs profondément dans la région n, la majorité des électrons et des trous n'ont pas le temps de se recombiner et atteignent limites p-n transition. Ici, les supports photo sont séparés par des champ p-n transition, et les trous passent dans la région p, et les électrons ne peuvent pas surmonter le champ de transition et s'accumulent à la frontière de la jonction pn et de la région n. ᴏϬᴩᴀᴈᴏᴍ, le courant traversant la jonction p-n est dû à la dérive de porteurs non basiques - trous. Le courant de dérive d'un photoporteur est généralement appelé photocourant.
Photoporteurs - les trous chargent la région p positivement par rapport à la région n, et les photoporteurs - les électrons - la région n négativement par rapport à la région p. La différence de potentiel résultante est généralement appelée la photo EMF Ef. Le courant généré dans la photodiode est inverse, il est dirigé de la cathode vers l'anode et sa valeur est d'autant plus grande que l'éclairement est important.
Les photodiodes peuvent fonctionner dans l'un des deux modes - avec une source externe d'énergie électrique (mode convertisseur) ou sans source externe d'énergie électrique (mode générateur).
Lorsque la photodiode fonctionne en mode convertisseur, une tension inverse lui est appliquée (Fig. 17.7, a). Les branches inverses de la caractéristique I - V de la photodiode sont utilisées à différents niveaux d'éclairement Ф, Ф1, Ф2 (Fig. 17.7, b).
En tenant compte de la dépendance au niveau d'éclairage, le courant inverse de la photodiode change et la tension aux bornes de la résistance de charge change. Dans les systèmes d'automatisation ferroviaire, un photocapteur au germanium est inclus dans les dispositifs de détection d'une boîte d'essieu chauffée selon ce schéma (le germanium est sensible aux rayons infrarouges et le silicium est sensible à la lumière visible).
| une) | b) |
Riz. 17.7. Fonctionnement de la photodiode en mode photoconvertisseur :
a - schéma de raccordement ; b - caractéristiques voltampères
Les photodiodes fonctionnant en mode générateur sont utilisées comme sources d'énergie qui convertissent l'énergie solaire en énergie électrique. sont appelés cellules solaires et font partie des cellules solaires. La tension de sortie d'une cellule solaire dépend fortement du niveau de lumière. Pour obtenir une tension stable dans la charge, une batterie solaire est utilisée en conjonction avec une batterie. Le schéma de la batterie de stockage solaire est illustré à la Fig. 17.8.
Riz. 17.8. Schéma de principe d'une batterie de stockage solaire
A un éclairement maximal, la batterie solaire alimente la charge et charge la batterie. Placé sur ref.rf Dans l'obscurité, la charge n'est alimentée que par la batterie, et pour que la batterie ne se décharge pas vers la batterie solaire, la diode VD1 est installée dans le circuit.
Le rendement des cellules solaires au silicium est d'environ 20 %. Les paramètres techniques importants des cellules solaires sont le rapport entre leur puissance de sortie et la masse et la surface occupée par la cellule solaire. Ces paramètres atteignent des valeurs de 200 W/kg et 1 kW/m2, respectivement.
Des informations plus détaillées sur les photodiodes sont données dans la littérature.
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Photodiodes | Technique et programmes
Le principe de la photodiode
Une photodiode semi-conductrice est une diode semi-conductrice dont le courant inverse dépend de l'éclairement.
Habituellement, des diodes semi-conductrices avec une jonction pn, qui est polarisée dans le sens opposé par une source d'alimentation externe, sont utilisées comme photodiode. Lorsque des quanta de lumière sont absorbés dans la jonction pn ou dans les régions adjacentes, de nouveaux porteurs de charge se forment. Les porteurs de charge minoritaires, apparus dans les régions adjacentes à la jonction pn à une distance n'excédant pas ', mais la longueur de diffusion, diffusent dans la jonction pn et la traversent * sous l'action d'un champ électrique. C'est-à-dire que le courant inverse augmente lorsqu'il est allumé. L'absorption de quanta directement dans la jonction pn conduit à des résultats similaires. La quantité par laquelle le courant inverse augmente s'appelle le photocourant.
Caractéristiques des photodiodes
Les propriétés d'une photodiode peuvent être caractérisées par les caractéristiques suivantes :
La caractéristique courant-tension de la photodiode est la dépendance du courant lumineux à flux lumineux constant et du courant d'obscurité 1m sur la tension.
La caractéristique lumineuse de la photodiode est déterminée par la dépendance du photocourant à l'éclairage. Avec l'augmentation de l'éclairement, le photocourant augmente.
La caractéristique spectrale d'une photodiode est la dépendance du photocourant à la longueur d'onde de la lumière incidente sur la photodiode. Elle est déterminée pour les grandes longueurs d'onde par la bande interdite, et aux petites longueurs d'onde par un coefficient d'absorption élevé et une augmentation de l'effet de recombinaison de surface des porteurs de charge avec une longueur d'onde décroissante des quanta de lumière. C'est-à-dire que la limite de sensibilité aux courtes longueurs d'onde dépend de l'épaisseur de la base et du taux de recombinaison de surface. La position du maximum dans la caractéristique spectrale de la photodiode dépend fortement du degré d'augmentation du coefficient d'absorption.
La constante de temps est le temps pendant lequel le courant de la photodiode change après illumination ou après que la photodiode s'est assombrie d'un facteur e (63%) par rapport à la valeur en régime permanent.
La résistance à l'obscurité est la résistance de la photodiode en l'absence d'éclairage.
La sensibilité intégrale est déterminée par la formule :
où 1ph - photocourant, - éclairage.
Inertie
Il y a trois facteurs physiques qui affectent la persistance :
1. Le temps de diffusion ou de dérive des porteurs hors d'équilibre à travers la base t ;
2. Le temps de vol à travers la jonction pn t,;
3. Temps de recharge de la barrière capacité rn transition, caractérisée par la constante de temps RC6ap.
L'épaisseur de la jonction pn, qui dépend de la tension inverse et de la concentration d'impuretés dans la base, est généralement inférieure à 5 µm, ce qui signifie que m vaut 0,1 ns. RC6ap est déterminé par la capacité de barrière de la jonction pn, qui dépend de la tension et de la résistance de la base de la photodiode à une faible résistance de charge dans le circuit externe. RC6ap est généralement de quelques nanosecondes.
Efficacité de la photodiode et calcul de la puissance
L'efficacité est calculée par la formule :
où Rosv est la puissance d'éclairage ; I est la force actuelle;
U est la tension aux bornes de la photodiode.
Le calcul de la puissance de la photodiode est illustré à la Fig. 2.12 et tableau 2.1.
Riz. 2.12. Dépendance de la puissance de la photodiode sur la tension et le courant
La puissance maximale de la photodiode correspond à la surface maximale du rectangle donné.
Tableau 2.1. Puissance contre efficacité
| Puissance d'éclairage, mW | Intensité du courant, mA | Tension, V | |
Application d'une photodiode en oltoélectronique
La photodiode fait partie intégrante de nombreux dispositifs optoélectroniques complexes :
Circuits intégrés optoélectroniques.
La photodiode peut être rapide, mais son gain de photocourant ne dépasse pas l'unité. En raison de la présence de la communication optique, les circuits intégrés optoélectroniques présentent un certain nombre d'avantages importants, à savoir : une isolation galvanique presque idéale des circuits de commande de ceux de puissance tout en maintenant une forte connexion fonctionnelle entre eux.
Photodétecteurs multi-éléments.
Ces dispositifs (scanistor, matrice de photodiodes à commande par transistor MOS, dispositifs photosensibles à couplage de charges, etc.) sont parmi les produits les plus évolutifs et les plus avancés de la technologie électronique. Un « œil » optoélectrique basé sur une photodiode est capable de répondre non seulement à la luminosité-temporelle, mais aussi aux caractéristiques spatiales d'un objet, c'est-à-dire de percevoir son image visuelle complète.
Le nombre de cellules photosensibles dans le dispositif est assez important, donc, en plus de tous les problèmes d'un photodétecteur discret (sensibilité, vitesse, domaine spectral), il est nécessaire de résoudre le problème de la lecture des informations. Tous les photodétecteurs multi-éléments sont des systèmes de balayage, c'est-à-dire des dispositifs qui permettent d'analyser l'espace étudié par visualisation séquentielle (décomposition par éléments).
Comment est la perception des images ?
La répartition de la luminosité de l'objet d'observation est convertie en une image optique et se focalise sur la surface photosensible. Ici, l'énergie lumineuse est convertie en énergie électrique, et la réponse de chaque élément (courant, charge, tension) est proportionnelle à son éclairement. Le motif de luminance est converti en un relief électrique. Le circuit de balayage effectue une interrogation séquentielle périodique de chaque élément et lit les informations qu'il contient. Puis, en sortie de l'appareil, on obtient une séquence d'impulsions vidéo dans laquelle l'image perçue est codée.
Lors de la création de photodétecteurs multi-éléments, nous nous efforçons d'assurer les meilleures performances de leurs fonctions de conversion et de numérisation. Optocoupleurs.
Un dispositif optoélectronique est appelé dispositif optoélectronique, dans lequel se trouvent une source et un récepteur de rayonnement avec l'un ou l'autre type de connexion optique entre eux, structurellement combinés et placés dans un même boîtier. Il n'y a pas de connexion électrique (galvanique) entre le circuit de commande (dont le courant est faible, de l'ordre de quelques mA), où est connecté l'émetteur, et le circuit exécutif, dans lequel fonctionne le photodétecteur, et les informations de commande sont transmis au moyen d'un rayonnement lumineux.
Cette propriété d'une paire optoélectronique (et dans certains types d'optocoupleurs, il y en a plusieurs non connectés les uns aux autres, même optiquement optocoupleurs) s'est avérée indispensable dans les nœuds électroniques où il est nécessaire d'éliminer autant que possible l'influence de la sortie électrique circuits sur ceux d'entrée. Tous les éléments discrets (transistors, thyristors, microcircuits, qui sont des ensembles de commutation, ou microcircuits avec une sortie permettant de commuter une charge de puissance élevée), les circuits de commande et d'exécution sont électriquement connectés les uns aux autres. Ceci est souvent inacceptable si une charge haute tension est commutée. De plus, la rétroaction qui en résulte conduit inévitablement à l'apparition d'interférences supplémentaires.
Structurellement, le photodétecteur est généralement monté sur le fond du boîtier et l'émetteur - dans la partie supérieure. L'espace entre l'émetteur et le photodétecteur est rempli d'un matériau d'immersion - le plus souvent, ce rôle est joué par la colle optique polymère. Ce matériau agit comme une lentille qui focalise le rayonnement sur la couche sensible du photodétecteur. Le matériau d'immersion est recouvert de l'extérieur d'un film spécial qui réfléchit les rayons lumineux vers l'intérieur pour empêcher le rayonnement de se diffuser en dehors de la zone de travail du photodétecteur.
En règle générale, le rôle des émetteurs dans les optocoupleurs est joué par les LED à l'arséniure de gallium. Les éléments photosensibles dans les optocoupleurs peuvent être des photodiodes (optocoupleurs série AOD...), des phototransistors, des phototrinistors (optocoupleurs série AOU.,..) et des circuits photo relais hautement intégrés. Dans un optocoupleur à diode, par exemple, une photodiode à base de silicium est utilisée comme élément photodétecteur, et une diode émettrice infrarouge sert d'émetteur. La caractéristique spectrale maximale du rayonnement de la diode tombe sur une longueur d'onde d'environ 1 µm. Les optocoupleurs à diodes sont utilisés dans les modes photodiode et photogénérateur.
Les optocoupleurs à transistors (série AOT...) présentent certains avantages par rapport à ceux à diodes. Le courant de collecteur du transistor bipolaire est contrôlé à la fois optiquement (en agissant sur la LED) et électriquement le long du circuit de base (dans ce cas, le fonctionnement du phototransistor en l'absence de rayonnement de la LED de contrôle de l'optocoupleur n'est pratiquement pas différent du fonctionnement d'un transistor au silicium ordinaire). Le transistor à effet de champ est commandé via le circuit de grille.
De plus, le phototransistor peut fonctionner dans les modes clé et amplification, et la photodiode - uniquement dans la clé. Les optocoupleurs à transistors composites (par exemple, AOT1YUB) ont le gain le plus élevé (comme un nœud conventionnel sur un transistor composite), ils peuvent commuter la tension et le courant de valeurs suffisamment grandes et, selon ces paramètres, ne sont inférieurs qu'à optocoupleurs à thyristors et relais optoélectroniques du type KR293KP2 - KR293KP4, adaptés à la commutation de circuits haute tension et haute intensité. Aujourd'hui, de nouveaux relais optoélectroniques des séries K449 et K294 sont apparus dans le commerce de détail. La série K449 permet de commuter des tensions jusqu'à 400 V à des courants jusqu'à 150 mA. De tels microcircuits dans un boîtier DIP-4 compact à quatre broches remplacent les relais électromagnétiques de faible puissance et présentent de nombreux avantages par rapport aux relais (fonctionnement silencieux, fiabilité, durabilité, pas de contacts mécaniques, large plage de tensions de fonctionnement). De plus, leur prix abordable s'explique par le fait qu'il n'y a pas besoin d'utiliser de métaux précieux (dans le relais, ils recouvrent les contacts de commutation).
Dans les optocoupleurs à résistance (par exemple, OEP-1) les émetteurs-i sont des mini-lampes électriques à incandescence, également placées dans un boîtier.
Selon GOST, les désignations graphiques des optocoupleurs se voient attribuer un code conditionnel - lettre latine U suivi du numéro de série de l'appareil sur le schéma.
Le chapitre 3 du livre décrit les appareils et les appareils qui illustrent l'utilisation des optocoupleurs.
Application de photodétecteurs
Tout appareil optoélectronique contient une unité photodétecteur. Et dans la plupart des appareils optoélectroniques modernes, la photodiode constitue la base du photodétecteur.
En comparaison avec d'autres photodétecteurs plus complexes, ils ont la plus grande stabilité des caractéristiques de température et les meilleures propriétés opérationnelles.
Le principal inconvénient, qui est généralement signalé, est le manque d'amplification. Mais c'est plutôt arbitraire. Dans presque tous les appareils optoélectroniques, le photodétecteur fonctionne sur l'un ou l'autre des circuits électroniques correspondants. Et l'introduction d'un étage d'amplification dans celui-ci est beaucoup plus facile et plus pratique que de donner au photodétecteur des fonctions d'amplification inhabituelles pour lui.
Capacité d'information élevée du canal optique due au fait que la fréquence des vibrations lumineuses (environ 1015 Hz) est 103 ... 104 fois plus élevée que dans la gamme radio-technique maîtrisée. La faible valeur de la longueur d'onde des vibrations lumineuses fournit une densité élevée d'enregistrement d'informations dans les dispositifs de stockage optique (jusqu'à 108 bits / cm2).
Directivité nette (précision) du rayonnement lumineux, due au fait que la divergence angulaire du faisceau est proportionnelle à la longueur d'onde et peut être inférieure à une minute. Cela permet un transfert concentré et à faible perte d'énergie électrique vers n'importe quelle zone de l'espace.
Possibilité de double modulation - temporelle et spatiale - du faisceau lumineux. Étant donné que la source et le récepteur en optoélectronique ne sont pas connectés électriquement l'un à l'autre et que la connexion entre eux n'est réalisée qu'au moyen d'un faisceau lumineux (photons électriquement neutres), ils ne s'affectent pas. Et par conséquent, dans un dispositif optoélectronique, le flux d'informations n'est transmis que dans un seul sens - de la source au récepteur. Les canaux par lesquels se propagent les rayonnements optiques ne s'influencent pas les uns les autres et sont pratiquement insensibles aux interférences électromagnétiques, ce qui détermine leur immunité élevée au bruit.
Une caractéristique importante des photodiodes est leur grande vitesse. Ils peuvent fonctionner à des fréquences allant jusqu'à plusieurs MHz. généralement en germanium ou en silicium.
La photodiode est un récepteur potentiellement large bande. Cela explique son utilisation généralisée et sa popularité.
Spectre infrarouge
Une diode émettrice infrarouge (diode IR) est une diode semi-conductrice qui, lorsqu'un courant continu la traverse, émet de l'énergie électromagnétique dans la région infrarouge du spectre.
Contrairement au spectre de rayonnement visible par l'œil humain (qui produit par exemple une diode électroluminescente classique à base de phosphure de gallium), le rayonnement infrarouge ne peut pas être perçu par l'œil humain, mais est enregistré à l'aide d'appareils spéciaux qui y sont sensibles. spectre de rayonnement. Parmi les diodes photodétectrices populaires du spectre IR, on peut noter les dispositifs photosensibles MDK-1, FD263-01 et similaires.
Les caractéristiques spectrales des diodes émettrices IR ont un maximum prononcé dans la plage de longueurs d'onde de 0,87 à 0,96 µm. L'efficacité de rayonnement et l'efficacité de ces appareils sont supérieures à celles de diodes électroluminescentes.
A base de diodes IR (qui occupent une place importante dans les structures électroniques en tant qu'émetteurs d'impulsions du spectre IR), de lignes à fibres optiques (favorablement distinguées par leur vitesse et leur immunité au bruit), d'unités électroniques domestiques polyvalentes et, bien sûr, d'unités électroniques de sécurité sont conçus. Cela a son propre avantage, car Le faisceau IR est invisible à l'œil humain et dans certains cas (à condition d'utiliser plusieurs faisceaux IR multidirectionnels) il est impossible de déterminer visuellement la présence du dispositif de sécurité lui-même jusqu'à ce qu'il passe en mode « alarme »). Les expériences dans le domaine de la production et de la maintenance de systèmes de sécurité basés sur des émetteurs IR nous permettent encore de donner quelques recommandations pour déterminer l'état de fonctionnement des émetteurs IR.
Si vous regardez attentivement la surface émettrice de la diode IR (par exemple, AL147A, AL156A), lorsqu'un signal de commande lui est appliqué, vous remarquerez une faible lueur rouge. Le spectre lumineux de cette lueur est proche de la couleur des yeux des animaux albinos (rats, hamsters, etc.). Dans l'obscurité, la lueur IR est encore plus prononcée. Il est à noter qu'il n'est pas souhaitable d'un point de vue médical de scruter un appareil émettant de l'énergie lumineuse IR pendant une longue durée.
En plus des systèmes de sécurité, les diodes émettrices IR sont actuellement utilisées dans les porte-clés d'alarme pour les voitures, divers émetteurs de signaux sans fil pour une distance. Par exemple, en connectant un signal basse fréquence modulé d'un amplificateur à l'émetteur, en utilisant un récepteur IR à une certaine distance (selon la puissance de rayonnement et le terrain), vous pouvez écouter des informations audio, les conversations téléphoniques peuvent également être diffusées sur une distance. Cette méthode est moins efficace aujourd'hui, mais elle reste une alternative au radiotéléphone domestique. L'application la plus populaire (dans la vie quotidienne) des diodes émettrices IR sont les télécommandes pour divers appareils ménagers.
Comme tout radioamateur peut facilement se convaincre en ouvrant le couvercle de la télécommande, le circuit électronique de cet appareil n'est pas compliqué et peut être répété sans aucun problème. V dessins radioamateurs, dont certains sont décrits dans le troisième chapitre de ce livre, les appareils électroniques dotés d'appareils d'émission et de réception IR sont beaucoup plus simples que les appareils industriels.
Les paramètres qui déterminent les modes de fonctionnement statiques des diodes IR (tension maximale admissible directe et inverse, courant direct, etc.) sont similaires aux paramètres des photodiodes. Les principaux paramètres spécifiques par lesquels ils sont identifiés pour les diodes IR sont :
Puissance de rayonnement - Rizl - flux de rayonnement d'une certaine composition spectrale émis par une diode. Une caractéristique d'une diode en tant que source de rayonnement IR est la caractéristique watt-ampère - la dépendance de la puissance de rayonnement en W (milliwatts) sur le courant direct circulant dans la diode. Le diagramme de rayonnement de la diode montre la diminution de la puissance de rayonnement en fonction de l'angle entre la direction du rayonnement et l'axe optique du dispositif. Les diodes IR modernes diffèrent entre un rayonnement hautement directionnel et diffus.
Lors de la conception de composants électroniques, il convient de garder à l'esprit que la plage de transmission du signal IR dépend directement de l'angle d'inclinaison (alignement des parties émettrice et réceptrice de l'appareil) et de la puissance de la diode IR. Lors de l'interchangeabilité des diodes IR, ce paramètre de la puissance de rayonnement doit être pris en compte. Certaines données de référence sur les diodes IR domestiques sont données dans le tableau. 2.2.
Les données sur l'interchangeabilité des appareils étrangers et nationaux sont fournies en annexe. Aujourd'hui, les types de diodes IR les plus populaires parmi les radioamateurs sont les appareils s'aligner AL156 et AL147. Ils sont optimaux en termes de polyvalence et de coût.
Puissance de rayonnement pulsé - Rizl im - l'amplitude du flux de rayonnement, mesurée à une impulsion donnée de courant direct à travers la diode.
La largeur du spectre de rayonnement est l'intervalle de longueur d'onde dans lequel la densité de puissance spectrale du rayonnement est la moitié du maximum.
Le courant d'impulsion continu maximal admissible est de 1pr im (les diodes IR sont principalement utilisées en mode de fonctionnement par impulsion).
Tableau 2.2. Diodes émettrices infrarouges
| Puissance de rayonnement, mW | Longueur d'onde, m | Largeur du spectre, m | Tension sur l'appareil, V | Angle de rayonnement, degrés |
|
| il n'y a pas de données | il n'y a pas de données |
||||
Le temps de montée de l'impulsion de rayonnement tHaprad est l'intervalle de temps pendant lequel la puissance de rayonnement de la diode passe de 10 à 100 % de la valeur maximale.
Le paramètre de temps de décroissance d'impulsion tcnM3J1 est similaire au précédent.
Cycle de service - Q - le rapport de la période des oscillations pulsées à la durée de l'impulsion.
Les composants électroniques proposés pour la répétition (chapitre 3 de cet ouvrage) sont basés sur le principe d'émission et de réception d'un signal IR modulé. Mais pas seulement sous cette forme, vous pouvez utiliser le principe de fonctionnement de la diode IR. De tels opto-relais peuvent également fonctionner en réponse à la réflexion de rayons (le photodétecteur est placé à côté de l'émetteur). Ce principe est incorporé dans les unités électroniques qui répondent à l'approche d'un objet ou d'une personne à une unité combinée d'émetteur-récepteur, qui peut également servir de capteur dans les systèmes de sécurité.
Il existe une infinité d'options pour l'utilisation de diodes IR et de dispositifs basés sur celles-ci, et elles ne sont limitées que par l'efficacité de l'approche créative du radioamateur.
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Une photodiode est... Qu'est-ce qu'une photodiode ?
Photodiode FD-10-100 zone active-10x10 mm² FD1604 (zone active de la cellule 1,2x4mm2 - 16 pcs)Une photodiode est un récepteur de rayonnement optique qui convertit la lumière frappant sa zone photosensible en une charge électrique due aux processus de la jonction p-n.
Une photodiode, dont le travail est basé sur l'effet photovoltaïque (séparation des électrons et des trous dans les régions p et n, grâce à laquelle la charge et la CEM sont formées) est appelée cellule solaire. En plus des photodiodes p-n, il existe des photodiodes p-i-n, dans lesquelles il y a une couche de semi-conducteur non dopé i entre les couches p et n. Les photodiodes p-n et p-i-n convertissent uniquement la lumière en courant électrique, mais ne l'amplifient pas, contrairement aux photodiodes à avalanche et aux phototransistors.
La description
Schéma fonctionnel d'une photodiode. 1 - cristal semi-conducteur; 2 - contacts; 3 - conclusions ; - flux un rayonnement électromagnétique; E - source de courant constant ; RH - charge.Principe d'opération:
Lorsqu'ils sont exposés à des quanta de rayonnement dans la base, des porteurs libres sont générés, qui se précipitent vers la limite de la jonction p-n. La largeur de base (région n) est faite de telle sorte que les trous n'aient pas le temps de se recombiner avant de passer à la région p. Le courant de la photodiode est déterminé par le courant des porteurs minoritaires - le courant de dérive. La vitesse de la photodiode est déterminée par le taux de séparation des porteurs par le champ de la jonction p-n et la capacité de la jonction p-n Cp-n
La photodiode peut fonctionner selon deux modes :
- photovoltaïque - sans stress externe
- photodiode - avec tension inverse externe
Particularités :
- simplicité de la technologie et de la structure de fabrication
- combinaison d'une photosensibilité et d'une vitesse élevées
- faible résistance de base
- faible inertie
Paramètres et caractéristiques des photodiodes
Paramètres:
- la sensibilité reflète le changement d'état électrique à la sortie de la photodiode lorsqu'un seul signal optique est appliqué à l'entrée. Quantitativement, la sensibilité est mesurée par le rapport de la variation des caractéristiques électriques prise en sortie du photodétecteur sur le flux lumineux ou le flux de rayonnement qui l'a provoquée. ; - sensibilité du courant pour le flux lumineux ; - sensibilité au flux d'énergie voltaïque
- bruit En plus du signal utile, un signal chaotique avec une amplitude et un spectre aléatoires apparaît à la sortie de la photodiode - le bruit de la photodiode. Il ne permet pas l'enregistrement de signaux utiles aussi petits qu'on le souhaite. Le bruit des photodiodes est composé du bruit des matériaux semi-conducteurs et du bruit des photons.
Caractéristiques:
- caractéristiques volt-ampère(VAC) dépendance de la tension de sortie sur le courant d'entrée.
- caractéristiques spectrales dépendance du photocourant sur la longueur d'onde de la lumière incidente sur la photodiode. Elle est déterminée du côté des grandes longueurs d'onde par la bande interdite, aux petites longueurs d'onde par un grand coefficient d'absorption et une augmentation de l'effet de recombinaison de surface des porteurs de charge avec une diminution de la longueur d'onde des quanta lumineux. C'est-à-dire que la limite de sensibilité aux courtes longueurs d'onde dépend de l'épaisseur de la base et du taux de recombinaison de surface. La position du maximum dans la caractéristique spectrale de la photodiode dépend fortement du degré d'augmentation du coefficient d'absorption.
- caractéristiques de la lumière La dépendance du photocourant à l'éclairage correspond à la proportionnalité directe du photocourant à l'éclairage. Ceci est dû au fait que l'épaisseur de la base de la photodiode est bien inférieure à la longueur de diffusion des porteurs de charges minoritaires. C'est-à-dire que presque tous les porteurs de charge minoritaires apparus dans la base participent à la formation du photocourant.
- la constante de temps est le temps pendant lequel le photocourant de la photodiode change après illumination ou après que la photodiode s'est assombrie d'un facteur e (63 %) par rapport à la valeur en régime permanent.
- résistance à l'obscurité résistance de la photodiode en l'absence d'éclairage.
- inertie
Classification
- Dans la structure p-i-n, la région i médiane est enfermée entre deux régions de conductivité opposée. À une tension suffisamment élevée, il pénètre dans la région i et les porteurs libres, apparus à cause des photons lors de l'irradiation, sont accélérés par un champ électrique jonctions p-n... Il en résulte des gains de performances et de sensibilité. Une augmentation du taux de réponse dans une photodiode p-i-n est due au fait que le processus de diffusion est remplacé par une dérive charges électriques dans un champ électrique intense. Déjà à Urev≈0.1V p-i-n, la photodiode a un avantage de vitesse.
- Photodiode Schottky (photodiode à barrière Schottky) Structure métal-semi-conducteur. Lorsque la structure est formée, une partie des électrons sera transférée du métal au semi-conducteur de type p.
- Photodiode d'avalanche
- La structure utilise un claquage par avalanche. Il se produit lorsque l'énergie des photoporteurs dépasse l'énergie de formation des paires électron-trou. Très sensible. Pour estimer qu'il existe un coefficient de multiplication par avalanche : Pour mettre en œuvre la multiplication par avalanche, deux conditions doivent être remplies : 1) Le champ électrique de la région de charge d'espace doit être suffisamment grand pour que l'électron gagne de l'énergie sur le libre parcours moyen, qui est supérieur à la bande interdite : 2) La largeur de la zone de charge d'espace doit être sensiblement supérieure au libre parcours moyen : La valeur du gain interne est M = 10-100, selon le type de photodiodes.
- Une photodiode à hétérostructure Une hétérojonction est une couche qui apparaît à l'interface de deux semi-conducteurs avec des bandes interdites différentes. Une couche p+ joue le rôle de « fenêtre de réception ». Des charges sont générées dans la zone centrale. En sélectionnant des semi-conducteurs avec des bandes interdites différentes, toute la gamme de longueurs d'onde peut être couverte. L'inconvénient est la complexité de fabrication.
But: photodiode- un récepteur de rayonnement optique, qui convertit la lumière frappant sa zone photosensible en une charge électrique.
Principe de fonctionnement: La photodiode la plus simple est une diode semi-conductrice conventionnelle, qui permet d'influencer le rayonnement optique sur la jonction p-n. Lorsqu'elles sont exposées à un rayonnement dans la direction perpendiculaire au plan de la jonction p-n, en raison de l'absorption de photons avec des énergies supérieures à la bande interdite, des paires électron-trou apparaissent dans la région n. Ces électrons et trous sont appelés porte-photos... Lors de la diffusion des photoporteurs profondément dans la région n, la majorité des électrons et des trous n'ont pas le temps de se recombiner et atteignent la limite de jonction p – n. Ici, les photoporteurs sont séparés par le champ électrique de la jonction p - n, et les trous passent dans la région p, et les électrons ne peuvent pas surmonter le champ de transition et s'accumuler à la frontière de la jonction p - n et de la région n . Ainsi, le courant traversant la jonction p – n est dû à la dérive des porteurs minoritaires - trous. Le courant de dérive des photoporteurs est appelé photocourant.
Les photodiodes peuvent fonctionner dans l'un des deux modes - sans source d'énergie électrique externe (mode photogénérateur) ou avec une source d'énergie électrique externe (mode photoconvertisseur).
Dispositif : schéma structurel d'une photodiode. 1 - cristal semi-conducteur; 2 - contacts; 3 - conclusions ; Ф - flux de rayonnement électromagnétique; E - source de courant constant ; Rн - charge. 
Paramètres: sensibilité (reflète le changement d'état électrique à la sortie de la photodiode lorsqu'un seul signal optique est appliqué à l'entrée.); bruit (en plus du signal utile, un signal chaotique d'amplitude aléatoire apparaît en sortie de la photodiode et spectre- bruit de photodiode)
Caractéristiques: a) caractéristique courant-tension photodiode est la dépendance de la tension de sortie sur le courant d'entrée. b) caractéristique lumineuse la dépendance du photocourant à l'éclairement correspond à la proportionnalité directe du photocourant à l'éclairement. c) caractéristique spectrale de la photodiode C'est la dépendance du photocourant à la longueur d'onde de la lumière incidente sur la photodiode.
Application: a) circuits intégrés optoélectroniques.
b) photodétecteurs multiéléments.c) optocoupleurs.
9. DEL. Objectif, appareil, principe de fonctionnement, paramètres de base et caractéristiques.
Fonction: LED est un dispositif semi-conducteur qui émet de la lumière lorsqu'un courant le traverse dans le sens direct.
Principe de fonctionnement : Le travail est basé sur le phénomène physique d'apparition d'un rayonnement lumineux lorsqu'un courant électrique traverse la jonction p-n. La couleur de la lueur (la longueur d'onde du maximum du spectre d'émission) est déterminée par le type de matériaux semi-conducteurs utilisés qui forment la jonction p-n.
Une LED est un dispositif émetteur à semi-conducteur avec une ou plusieurs jonctions n-p qui convertit l'énergie électrique en énergie de rayonnement lumineux incohérent. Le rayonnement survient à la suite de la recombinaison de porteurs injectés dans l'une des régions adjacentes à la jonction n-p. La recombinaison se produit lors de la transition des porteurs des niveaux supérieurs vers les niveaux inférieurs.
Caractéristiques et paramètres : le paramètre principal des LED est le rendement quantique interne (le rapport du nombre de photons au nombre de porteurs injectés dans la base) et le rendement externe (le rapport du flux de photons de la LED au flux de charge porteurs dedans). L'efficacité externe est largement déterminée par la technologie et peut être considérablement augmentée avec une augmentation de son niveau.
Les principales caractéristiques des LED sont le volt-ampère, la luminance et le spectre. Les principaux paramètres des diodes électroluminescentes sont la longueur d'onde, la demi-largeur du spectre de rayonnement, la puissance de rayonnement, la fréquence de fonctionnement et le diagramme de rayonnement.
Les LED sont largement utilisées dans les indicateurs numériques, les affichages lumineux et les dispositifs optoélectroniques. En principe, il est possible de former un écran de télévision couleur sur leur base.
