Фотодиод

Рис. 5.20 УГО

Фотодиод представляет собой полупроводниковый прибор, обратный ток которого зависит от освещенности р-n перехода.

Устройство фотодиода: p-n переход одной стороной обращен к стеклянному окну, через которое поступает свет, и защищен от воздействия света с других сторон.

Рис. 5.21 Устройство фотодиода

Рис. 5.22 Схема включения фотодиода - фотодиодный режим

Напряжение источника питания приложено к фотодиоду в обратном направле­нии.

Когда фотодиод не освещен, в цепи проходит обратный (темновой) ток не­большой величины (10-20 мкА для Ge и l-2 мкА для Si) неосновных носителей.

При освещении фотодиода появляется дополнительное число электронов и дырок, вследствие чего увеличивается переход неосновных носителей заряда: электронов из р-области и дырок из n-области. Это при­водит к увеличению обратного тока и падению напряжения нарезисторе R_H.

Т.о. происходит преобразование электромагнитного излучения в электрический сигнал.

Режим, при котором фотодиод включается в схему с внешним источником питания, называют фотодиодными режимом, т.е. при таком режиме фотодиод - управляемое светом сопротивление.

Фотодиод может включаться без внешнего источнщса питания (рис. 5.23) = это т.н. преобразовательный (фотогенераторный) режим.

Под действием света в р-n переходе происходит генерация пар носителей заряда (электронов и дырок).

Накопление основ­ных носителей в областях р и n приводит к возникновению фото-ЭДС (_фд).

При увеличении облучения генерация пар носителей растет и увеличивается величина фото - ЭДС, до тех пор, пока она не уравновесит внутреннее диффузионное поле р-n перехода.

Чем больше ширина запрещенной зоны и чем больше концентрация примесей в областях, тем больше фото -ЭДС.

Рис.5.23 Фотогенераторный режим

Характеристики фотодиода

Основными характеристиками фотодидов являются ВАХ, световая и спек­тральная.

1. ВАХ, определяет зависимость тока фото­диода от напряжения на нем при постоян­ной величине светового потока.

При полном затемнении (Ф_о= 0) через фо­тодиод протекает темновой ток 1_Т.

Рабочая часть ха­рактеристик при работе в фотодиодном ре­жиме лежит в третьем квадранте.

Характерной особенностью рабочей области ВАХ (обратной ветви) является практически полная независимость тока фотодиода от приложенного напряжения.

Такой режим наступает при и_обр порядка 1B.

Линейная зависимость фототока от освещенно­сти является достоинством фотодиода.

Рис. 5.24 ВАХ фотодиода

2. Световая характеристика, показывает зависимость тока фотодиода от вели­чины светового потока при постоянном напряжении на фотодиоде. В широком диапазоне изменений светового потока световая характеристика фотодиода оказывается линейной. При изменении температуры световая харак­теристика смещается параллельно начальному положению.

3. Спектральная характеристика, показывает зависимость спектральной чувст­вительности от длины волны падающего на фотодиод света.

Рис. 5.25 Световая характеристика и спектральная характеристика

Основные параметры фотодиодов

1. Интегральная чувствительность S_инт - отношение фототока к интенсивно­сти излучения заданного спектрального состава

5.3

2. Рабочее напряжение;

3. Темновой ток;

4. Максимальное обратное напряжение U_{max ф} (4-12 В);

5. Допустимая рассеиваемая мощность Р_рас [мВт];

6. Диапазон температур -60° - +70°С.

Сочетание светодиода с фотоприемником позволяет создать новый класс при­боров, называемый оптронами.

Оптрон

Оптрон (оптоэлектронная пара, или отопара) – полупроводниковый прибор, содержащий излу­чатель и приемник излучения, связанные оптическим каналом.

Рис. 5.26 Структурная схема оптрона

Входные и выходные сигналы оптрона - электрические.

В качестве излучателя чаще всего используется светодиод.

Можно использо­вать п/п лазеры, однако светодиоды по сравнению с лазерами могут быть изготов­лены из различных полупроводниковых материалов, поэтому перекрывают большой диапазон длин волн и имеют больший КПД преобразования электриче­ской энергии в энергию излучения, работают с меньшими токами и напряже­ниями, более долговечны и дешевы.

Оптрон используется как элемент электрической развязки (гальванической) в цифровых и импульсных устройствах, системах автоматики для бесконтактного управления высоковольтными источниками питания.

Существует несколько разновидностей оптронов, которые определяются в основном типом использованного в оптроне фотоприемника.

Если в качестве фотоприемника использован фоторезистор, то оптрон называется резисторным, фотодиод - диодным, фототранзистор – транзисторным, фототиристор - тиристорным и т.д.

Рис. 5.27 УГО: Резисторный, диодный, транзисторный и тиристорный оптроны