Реферат: Принцип действия фотодиода. Фотодиоды реферат

Реферат Фотодиод

Опубликовать скачать

Реферат на тему:

План:

1 Описание
2 Параметры и характеристики фотодиодов
3 Классификация

Введение

Фотодиод

ФД-10-100 активная площадь-10х10 мм²

ФД1604 (активная площадь ячейки 1,2х4мм2 — 16шт)

Обозначение на схемах

Фотодио́д — приёмник оптического излучения[1], который преобразует попавший на его фоточувствительную область свет в электрический заряд за счёт процессов в p-n-переходе.

Фотодиод, работа которого основана на фотовольтаическом эффекте (разделение электронов и дырок в p- и n- области, за счёт чего образуется заряд и ЭДС), называется солнечным элементом. Кроме p-n фотодиодов, существуют и p-i-n фотодиоды, в которых между слоями p- и n- находится слой нелегированного полупроводника i. p-n и p-i-n фотодиоды только преобразуют свет в электрический ток, но не усиливают его, в отличие от лавинных фотодиодов и фототранзисторов.

1. Описание

Структурная схема фотодиода. 1 — кристалл полупроводника; 2 — контакты; 3 — выводы; Φ — поток электромагнитного излучения; Е — источник постоянного тока; RH — нагрузка.

Принцип работы:

При воздействии квантов излучения в базе происходит генерация свободных носителей, которые устремляются к границе p-n-перехода. Ширина базы (n-область) делается такой, чтобы дырки не успевали рекомбинировать до перехода в p-область. Ток фотодиода определяется током неосновных носителей — дрейфовым током. Быстродействие фотодиода определяется скоростью разделения носителей полем p-n-перехода и ёмкостью p-n-перехода Cp-n

Фотодиод может работать в двух режимах:

фотогальванический — без внешнего напряжения
фотодиодный — с внешним обратным напряжением

Особенности:

простота технологии изготовления и структуры
сочетание высокой фоточувствительности и быстродействия
малое сопротивление базы
малая инерционность

2. Параметры и характеристики фотодиодов

Параметры:

чувствительность отражает изменение электрического состояния на выходе фотодиода при подаче на вход единичного оптического сигнала. Количественно чувствительность измеряется отношением изменения электрической характеристики, снимаемой на выходе фотоприёмника, к световому потоку или потоку излучения, его вызвавшему. $S_{i,{\Phi_v}}=\frac {I_\Phi}{\Phi_v}$ ; $S_{i,{E_v}}=\frac {I_\Phi}{E_v}$ — токовая чувствительность по световому потоку $S_{u,{\Phi_e}}=\frac {U_\Phi}{\Phi_e}$ ; $S_{i,{E_e}}=\frac {U_\Phi}{E_e}$ — вольтаическая чувствительность по энергетическому потоку
шумы помимо полезного сигнала на выходе фотодиода появляется хаотический сигнал со случайной амплитудой и спектром — шум фотодиода. Он не позволяет регистрировать сколь угодно малые полезные сигналы. Шум фотодиода складывается из шумов полупроводникового материала и фотонного шума.

Характеристики:

вольт-амперная характеристика (ВАХ) зависимость выходного напряжения от входного тока. UΦ = f(IΦ)
спектральные характеристики зависимость фототока от длины волны падающего света на фотодиод. Она определяется со стороны больших длин волн шириной запрещённой зоны, при малых длинах волн большим показателем поглощения и увеличения влияния поверхностной рекомбинации носителей заряда с уменьшением длины волны квантов света. То есть коротковолновая граница чувствительности зависит от толщины базы и от скорости поверхностной рекомбинации. Положение максимума в спектральной характеристике фотодиода сильно зависит от степени роста коэффициента поглощения.
световые характеристики зависимость фототока от освещённости, соответствует прямой пропорциональности фототока от освещённости. Это обусловлено тем, что толщина базы фотодиода значительно меньше диффузионной длины неосновных носителей заряда. То есть практически все неосновные носители заряда, возникшие в базе, принимают участие в образовании фототока.
постоянная времени это время, в течение которого фототок фотодиода изменяется после освещения или после затемнения фотодиода в е раз (63 %) по отношению к установившемуся значению.
темновое сопротивление сопротивление фотодиода в отсутствие освещения.
инерционность

3. Классификация

В p-i-n структуре средняя i-область заключена между двумя областями противоположной проводимости. При достаточно большом напряжении оно пронизывает i-область, и свободные носители, появившееся за счет фотонов при облучении, ускоряются электрическим полем p-n переходов. Это дает выигрыш в быстродействии и чувствительности. Повышение быстродействия в p-i-n фотодиоде обусловлено тем, что процесс диффузии заменяется дрейфом электрических зарядов в сильном электрическом поле. Уже при Uобр≈0.1В p-i-n фотодиод имеет преимущество в быстродействии.

Достоинства: 1) есть возможность обеспечения чувствительности в длинноволновой части спектра за счет изменения ширины i-области. 2) высокая чувствительность и быстродействие 3) малое рабочее напряжение Uраб Недостатки: сложность получения высокой чистоты i-области

Фотодиод Шоттки (фотодиод с барьером Шоттки) Структура металл-полупроводник. При образовании структуры часть электронов перейдет из металла в полупроводник p-типа.

Лавинный фотодиод

В структуре используется лавинный пробой. Он возникает тогда, когда энергия фотоносителей превышает энергию образования электронно-дырочных пар. Очень чувствительны. Для оценки существует коэффициент лавинного умножения: $M=\frac {I_\Phi}{I_{\Phi_0}}$ $M=\frac {1}{1-\left(\frac {U}{U_{pr}}\right)^m}$ Для реализации лавинного умножения необходимо выполнить два условия: 1) Электрическое поле области пространственного заряда должно быть достаточно большим, чтобы на длине свободного пробега электрон набрал энергию, большую, чем ширина запрещённой зоны: $q\lambda=\frac {3I_g}{2}$ 2) Ширина области пространственного заряда должна быть существенно больше, чем длина свободного пробега: W > > λ Значение коэффициентов внутреннего усиления составляет M=10-100 в зависимости от типа фотодиодов.

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

Примечания

БСЭ - slovari.yandex.ru/dict/bse/article/00084/99500.htm

Электронные компоненты

скачатьДанный реферат составлен на основе статьи из русской Википедии. Синхронизация выполнена 12.07.11 13:10:08Похожие рефераты: Лавинный фотодиод.

Категории: Оптоэлектроника, Полупроводниковые диоды.

Текст доступен по лицензии Creative Commons Attribution-ShareAlike.

www.wreferat.baza-referat.ru

Реферат: Принцип действия фотодиода

Принцип действия фотодиода

Полупроводниковый фотодиод — это полупроводниковый диод обратный ток которого зависит от освещенности.

Обычно в качестве фотодиода используют полупроводниковые диоды с р-п переходом, который смещен в обратном направлении внешним источником питания. При поглощении квантов света в р-n переходе или в прилегающих к нему областях образуются новые носители заряда. Неосновные носители заряда, возникшие в областях, прилегающих к р-п переходу на расстоянии, не превь,’ ,ающем диффузионной длины, диффундируют в р-п переход и проходя* через него под действием электрического поля. То есть обратный ток при освещении возрастает. Поглощение квантов непосредственно в р-п переходе приводит к аналогичным результатам. Величина, на которую возрастает обратный ток, называется фототоком.

Характеристики фотодиодов

Свойства фотодиода можно охарактеризовать следующими характеристиками:

Вольт-амперная характеристика фотодиода представляет собой зависимость светового тока при неизменном световом потоке и темнового тока 1т от напряжения.

Световая характеристика фотодиода обусловлена зависимостью фототока от освещенности. При увеличении освещенности фототок возрастает.

Спектральная характеристика фотодиода — это зависимость фототока от длины волны падающего света на фотодиод. Она определяется для больших длин волн шириной запрещенной зоны, а при малых длинах волн большим показателем поглощения и увеличения влияния поверхностной рекомбинации носителей заряда с уменьшением длины волны квантов света. То есть коротковолновая граница чувствительности зависит от толщины базы и от скорости поверхностной рекомбинации. Положение максимума в спектральной характеристике фотодиода сильно зависит от степени роста коэффициента поглощения.

Постоянная времени — это время, в течение которого фото- ток фотодиода изменяется после освещения или после затемнения фотодиода в е раз (63%) по отношению к установившемуся значению.

Темновое сопротивление — сопротивление фотодиода в отсутствие освещения.

Интегральная чувствительность определяется формулой:

где 1ф — фототок, Ф — освещенность.

Инерционность

Существует три физических фактора, влияющих на инерционность:

1. Время диффузии или дрейфа неравновесных носителей через базу т;

2. Время пролета через р-n переход т,;

3. Время перезарядки барьерной емкости р-п перехода, характеризующееся постоянной времени RC6ap.

Толщина р-п перехода, зависящая от обратного напряжения и концентрации примесей в базе, обычно меньше 5 мкм, а значит, т, — 0,1 не. RC6ap определяется барьерной емкостью р-п перехода, зависящей от напряжения и сопротивления базы фотодиода при малом сопротивлении нагрузки во внешней цепи. Величина RC6ap обычно составляет нескольких наносекунд.

Расчет КПД фотодиода и мощности

КПД вычисляется по формуле:

где Росв — мощность освещенности; I — сила тока;

U — напряжение на фотодиоде.

Расчет мощности фотодиода иллюстрирует рис. 2.12 и таблица 2.1.

Рис. 2.12. Зависимость мощности фотодиода от напряжения и силы тока

Максимальная мощность фотодиода соответствует максимальной площади данного прямоугольника.

Таблица 2.1. Зависимость мощности от КПД

Мощность освещенности, мВт

Сила тока, мА

Напряжение, В

КПД, %

0,0464

0,24

1,1

0,1449

0,41

0,248

0,26

1,3

0,242

0,45

1,6

Применение фотодиода в олтоэлектронике

Фотодиод является составным элементом во многих сложных оптоэлектронных устройствах:

• Оптоэлектронные интегральные микросхемы.

Фотодиод может обладать большим быстродействием, но его коэффициент усиления фототока не превышает единицы. Благодаря наличию оптической связи оптоэлектронные интегральные микросхемы обладают рядом существенных достоинств, а именно: почти идеальная гальваническая развязка управляющих цепей от силовых при сохранении между ними сильной функциональной связи.

• Многоэлементные фотоприемники.

Эти приборы (сканистор, фотодиодная матрица с управлением на МОП-транзисторе, фоточувствительные приборы с зарядовой связью и другие) относятся к числу наиболее быстро развивающихся и прогрессирующих изделий электронной техники. Оптоэлектрический «глаз» на основе фотодиода способен реагировать не только на яркостно-временные, но и на пространственные характеристики объекта, то есть воспринимать его полный зрительный образ.

Число фоточувствительных ячеек в приборе является достаточно большим, поэтому кроме всех проблем дискретного фотоприемника (чувствительность, быстродействие, спектральная область) приходится решать и проблему считывания информации. Все многоэлементные фотоприемники представляют собой сканирующие системы, то есть устройства, позволяющие производить анализ исследуемого пространства путем последовательного его просмотра (поэлементного разложения).

Как происходит восприятие образов?

Распределение яркости объекта наблюдения превращается в оптическое изображение и фокусируется на фоточувствительную поверхность. Здесь световая энергия переходит в электрическую, причем отклик каждого элемента (ток, заряд, напряжение) пропорционален его освещенности. Яркостная картина преобразуется в электрический рельеф. Схема сканирования производит периодический последовательный опрос каждого элемента и считывание содержащейся в нем информации. Тогда на выходе устройства мы получаем последовательность видеоимпульсов, в которой закодирован воспринимаемый образ.

При создании многоэлементных фотоприемников стремятся обеспечить наилучшее выполнение ими функций преобразования и сканирования. • Оптроны.

Оптроном называется такой оптоэлектронный прибор, в котором имеются источник и приемник излучения с тем или иным видом оптической связи между ними, конструктивно объединенные и помещенные в один корпус. Между управляющей цепью (ток в которой мал, порядка нескольких мА), куда включен излучатель, и исполнительной, в которой работает фотоприемник, отсутствует электрическая (гальваническая) связь, а управляющая информация передается посредством светового излучения.

Это свойство оптоэлектронной пары (а в некоторых видах оптронов присутствует по несколько не связанных друг с другом даже оптически оптопар) оказалось незаменимым в тех электронных узлах, где нужно максимально устранить влияние выходных электрических цепей на входные. У всех дискретных элементов (транзисторов, тиристоров, микросхем, являющихся коммутационными сборками, или микросхем с выходом, позволяющим коммутировать нагрузку большой мощности) управляющие и исполнительные цепи электрически связаны друг с другом. Это часто недопустимо, если коммутируется высоковольтная нагрузка. К тому же, возникающая обратная связь неминуемо приводит к появлению дополнительных помех.

Конструктивно фотоприемник обычно крепится на дне корпуса, а излучатель — в верхней части. Зазор между излучателем и фотоприемником заполнен иммерсионным материалом — чаще всего эту роль выполняет полимерный оптический клей. Этот материал исполняет роль линзы, фокусирующей излучение на чувствительный слой фотоприемника. Иммерсионный материал снаружи покрыт специальной пленкой, отражающей световые лучи внутрь, чтобы препятствовать рассеянию излучения за пределы рабочей зоны фотоприемника.

Роль излучателей в оптронах, как правило, выполняют светодиоды на основе арсенид-галлия. Светочувствительные элементы в оптопарах могут представлять собой фотодиоды (оптопары серии АОД…), фототранзисторы, фототринисторы (оптопары серии АОУ.,.) и высокоинтегрированные схемы фотореле. В диодной оптопаре, например, в качестве фотоприемного элемента используется фотодиод на основе кремния, а излучателем служит инфракрасный излучающий диод. Максимум спектральной характеристики излучения диода приходится на длину волны около 1 мкм. Диодные оптопары применяются в фотодиодном и фотогенераторном режимах.

Транзисторные оптроны (серия АОТ…) имеют некоторые преимущества относительно диодных. Коллекторным током биполярного транзистора управляют как оптически (воздействуя на светодиод), так и электрически по базовой цепи (в данном случае работа фототранзистора при отсутствии излучения управляющего светодиода оптрона практически не отличается от работы обыкновенного кремниевого транзистора). У полевого транзистора управление осуществляется через цепь затвора.

Кроме того, фототранзистор может работать в ключевом и усилительных режимах, а фотодиод — только в ключевом. Оптроны с составными-транзисторами (например, АОТ1ЮБ), имеют наибольший коэффициент усиления (как и обычный узел на составном транзисторе), могут коммутировать напряжение и ток достаточно больших величин и по данным параметрам уступают только тиристорным оптронам и оптоэлектронным реле типа КР293КП2 — КР293КП4, которые приспособлены для коммутации высоковольтных и сильноточных цепей. Сегодня в розничной продаже появились новые оптоэлектронные реле серий К449 и К294. Серия К449 позволяет коммутировать напряжение до 400 В при токе до 150 мА. Такие микросхемы в четырехвы- водном компактном корпусе DIP-4 приходят на смену маломощным электромагнитным реле и имеют по сравнению с реле массу преимуществ (бесшумность работы, надежность, долговечность, отсутствие механических контактов, широкий диапазон напряжения срабатывания). Кроме того, их доступная цена объясняется тем, что нет необходимости использовать драгметаллы (в реле ими покрываются коммутирующие контакты).

В резисторных оптронах (например, ОЭП-1) и-злучателями являются электрические минилампы накаливания, помещенные также в один корпус.

Графическим обозначениям оптронов по ГОСТу присвоен условный код — латинская буква U, после которой следует порядковый номер прибора в схеме.

В главе 3 книги описаны приборы и устройства, иллюстрирующие применение оптронов.

Применение фотоприемников

Любое оптоэлектронное устройство содержит фотоприемный блок. И в большинстве современных оптоэлектронных устройств фотодиод составляет основу фотоприемника.

обладают наилучшим сочетанием фотоэлектрических параметров, основных с точки зрения использования в оптоэлектронике: высокие значения чувствительности и быстродействия, малые значения паразитных параметров (например, тока утечки). Простота их устройства позволяет достигнуть физического и конструктивного оптимума и обеспечить наиболее полное использование падающего света.

В сопоставлении с другими, более сложными фотоприемниками, они обладают наибольшей стабильностью температурных характеристик и лучшими эксплуатационными свойствами.

Основной недостаток, на который обычно указывают, — отсутствие усиления. Но он достаточно условен. Почти в каждом оп- тоэлектронном устройстве фотоприемник работает на ту или иную согласующую электронную схему. И введение усилительного каскада в нее значительно проще и целесообразнее, чем придание фотоприемнику несвойственных ему функций усиления.

Высокая информационная емкость оптического канала, связанная с тем, что частота световых колебаний (около 1015 Гц) в 103…104 раз выше, чем в освоенном радиотехническом диапазоне. Малое значение длины волны световых колебаний обеспечивает высокую достижимую плотность записи информации в оптических запоминающих устройствах (до 108 бит/см2).

Острая направленность (кучность) светового излучения, обусловленная тем, что угловая расходимость луча пропорциональна длине волны и может быть меньше одной минуты. Это позволяет концентрированно и с малыми потерями передавать электрическую энергию в любую область пространства.

Возможность двойной — временной и пространственной — модуляции светового луча. Так как источник и приемник в опто- электронике не связаны друг с другом электрически, а связь между ними осуществляется только посредством светового луча (электрически нейтральных фотонов), то они не влияют друг на друга. И поэтому в оптоэлектронном приборе поток информации передается лишь в одном направлении — от источника к приемнику. Каналы, по которым распространяется оптическое излучение, не воздействуют друг на друга и практически не чувствительны к электромагнитным помехам, что определяет их высокую помехозащищенность.

Важная особенность фотодиодов — высокое быстродействие. Они могут работать на частотах до нескольких МГц. обычно изготовляют из германия или кремния.

Фотодиод является потенциально широкополосным приемником. Этим обуславливается его повсеместное применение и популярность.

ИК спектра

Инфракрасный излучающий диод (ИК диод) представляет собой полупроводниковый диод, который при протекании через него прямого тока излучает электромагнитную энергию в инфракрасной области спектра.

В отличие от видимого человеческим глазом спектра излучения (какое, например, производит обычный светоизлучающий диод на основе фосфида галлия) ИК излучение не может быть воспринято человеческим глазом, а регистрируется с помощью специальных приборов, чувствительных к данному спектру излучения. Среди популярных фотоприемных диодов ИК спектра можно отметить фоточувствительные приборы МДК-1, ФД263-01 и подобные им.

Спектральные характеристики ИК излучающих диодов имеют выраженный максимум в интервале волн 0,87…0,96 мкм. Эффективность излучения и КПД данных приборов выше, чем у светоизлучающих диодов.

На основе ИК диодов (которые в электронных конструкциях занимают важное место передатчиков импульсов ИК спектра) конструируются волоконно-оптические линии (выгодно отличающиеся своим быстродействием и помехозащищенностью), многоплановые электронные бытовые узлы и, конечно же, электронные узлы охраны. В этом есть свое преимущество, т.к. ИК луч невидим человеческим глазом и в некоторых случаях (при условии использования нескольких разнонаправленных ИК лучей) определить визуально наличие самого охранного устройства невозможно до его перехода в режим «тревога»). Опыты работы в сфере производства и обслуживания систем охраны на основе ИК излучателей позволяют все же дать некоторую рекомендацию по определению рабочего состояния ИК излучателей.

Если близко всмотреться в излучающую поверхность ИК диода (например, АЛ147А, АЛ156А), когда на него подан сигнал управления, то можно заметить слабое красное свечение. Световой спектр этого свечения близок к цвету глаз животных альбиносов (крыс, хомяков и т.д.). В темноте ИК свечение еще более выражено. Необходимо заметить, что длительное время всматриваться в излучающий ИК световую энергию прибор нежелательно с медицинской точки зрения.

Кроме систем охраны, ИК излучающие диоды в настоящее время находят применение в брелоках сигнализации для автомобилей, различного рода беспроводных передатчиках сигналов на расстояние. Например, подключив к передатчику модулированный НЧ сигнал от усилителя, с помощью ИК приемника на некотором расстоянии (зависит от мощности излучения и рельефа местности) можно прослушивать звуковую информацию, телефонные переговоры также можно транслировать на расстояние. Этот способ сегодня менее эффективен, но все же является альтернативным вариантом домашнему радиотелефону. Самым популярным (в быту) применением ИК излучающих диодов являются пульты дистанционного управления различными бытовыми приборами.

Как может легко убедиться любой радиолюбитель, вскрыв крышку ПДУ, электронная схема этого прибора не сложна и может быть повторена без особых проблем. В радиолюбительских конструкциях, некоторые из которых описаны в третьей главе данной книги, электронные устройства с ИК излучающими и приемными приборами намного проще, чем промышленные устройства.

Параметры, определяющие статические режимы работы ИК диодов (прямое и обратное максимально допустимое напряжение, прямой ток и т.д.) сходны с параметрами фотодиодов. Основными специфическими параметрами, по которым их идентифицируют, для ИК диодов являются:

Мощность излучения — Ризл — поток излучения определенного спектрального состава, излучаемого диодом. Характеристикой диода, как источника ИК излучения, является ватт-амперная характеристика — зависимость мощности излучения в Вт (милливаттах) от прямого тока, протекающего через диод. Диаграмма направленности излучения диода показывает уменьшение мощности излучения в зависимости от угла между направлением излучения и оптической осью прибора. Современные ИК диоды различаются между имеющими остронаправленное излучение и рассеянное.

При конструировании электронных узлов следует учитывать, что дальность передачи ИК сигнала прямо зависит от угла наклона (совмещения передающей и приемной частей устройства) и мощности ИК диода. При взаимозаменах ИК диодов необходимо учитывать этот параметр мощности излучения. Некоторые справочные данные по отечественным ИК диодам приведены в табл. 2.2.

Данные по взаимозаменам зарубежных и отечественных приборов приведены в приложении. Сегодня наиболее популярными типами ИК диодов среди радиолюбителей считаются приборы модельного ряда АЛ 156 и АЛ147. Они оптимальны по универсальности применения и стоимости.

Импульсная мощность излучения — Ризл им — амплитуда потока излучения, измеряемая при заданном импульсе прямого тока через диод.

Ширина спектра излучения — интервал длин волн, в котором спектральная плотность мощности излучения составляет половину максимальной.

Максимально допустимый прямой импульсный ток 1пр им (ИК диоды в основном используются в импульсном режиме работы).

Таблица 2.2. Излучающие диоды инфракрасного спектра

ИК диод

Мощность излучения, мВт

Длина волны, мкм

Ширина спектра, мкм

Напряжение на приборе, В

Угол излучения, град

АЛ107Б

0,94…0,96

0,03

АЛ107Г

0,94…0,96

0,03

АЛ145Д

0,93…0,98

0,06

1,6

АЛ156В

0,82…0,9

0,04

1,8

АЛ161А

0,83…0,9

0,07

1,5

АЛ165Б

0,85…0,89

0,04

АЛ165В

400

0,85…0,9

нет данных

1,6

нет данных

АЛ170В

100

0,85…0,89

0,1

1,5

Время нарастания импульса излучения tHap изл — интервал времени, в течение которого мощность излучения диода нарастает с 10 до 100% от максимального значения.

Параметр времени спада импульса tcnM3J1 аналогичен предыдущему.

Скважность — Q — отношение периода импульсных колебаний к длительности импульса.

В основе предлагаемых к повторению электронных узлов (глава 3 данной книги) лежит принцип передачи и приема модулированного ИК сигнала. Но не только в таком виде можно использовать принцип работы ИК диода. Такие оптореле могут работать и в режиме реагирования на отражение лучей (фотоприемник размещается рядом с излучателем). Этот принцип воплощен в электронные узлы, реагирующие на приближение к объединенному приемо-передающему узлу какого-либо предмета или человека, что также может служить датчиком в системах охраны.

Вариантов применения ИК диодов и устройств на их основе бесконечно много и они ограничиваются только эффективностью творческого подхода радиолюбителя.

www.yurii.ru

Курсовая: Фотодиод

Министерство образования Украины

Запорожский государственный технический университет

Кафедра МЭиПТ

ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА К КУРСОВОМУ ПРОЕКТУ ПО ДИСЦИПЛИНЕ

ФИЗИКА ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ПРИБОРОВ

ФОТОДИОД

Разработал:

ст. гр. РП-316 А.Р. Небаба

Руководитель:

доцент А.В. Томашевский

1998

РЕФЕРАТ

ПЗ: 36 с., 16 рис., 3 табл., 3 приложения, 6 источников.

Объект исследования – германиевый фотодиод.

Цель работы – исследование физических процессов протекающих в фотодиоде,определение зависимости основных параметров германиевого фотодиода оттемпературы и интенсивности освещения.

Фотодиоды являются эффективными преобразователями световой энергии вэлектрическую. Они могут быть использованы в вентильных и фотдиодныхрежимах . Фототок германиевого фотодиода прямопропорционаленосвещенности. Фото-ЭДС обратнопропорциональна температуре.

ФОТОДИОД, ТОК НАСЫЩЕНИЯ, ФОТОТОК, ФОТО-ЭДС, ОСВЕЩЕННОСТЬ, ТЕМПЕРАТУРА,ВЕНТИЛЬНЫЙ РЕЖИМ, ФОТОДИОДНЫЙ РЕЖИМ.

СОДЕРЖАНИЕ

Задание на проект 2

Реферат 4

Введение 6

1 Общая часть 8

1.1 Механизм действия электронно-дырочных фотоэлементов 8

1.2 Основные характеристики электронно-дырочных

фотоэлементов 13

1.2.1 Вольт-амперная характеристика 15

1.2.2 Люкс-амперная характеристика 18

1.2.3 Спектральное распределение фоточувствительности 20

1.2.4 Температурная зависимость темнового тока,

фототока и фото-ЭДС 21

2 Расчетная часть 24

2.1 Расчет зависимости фототока от освещенности 24

2.2 Расчет зависимости тока насыщения от температуры 25

2.3 Расчет зависимости фото-ЭДС от температуры 28

2.4 Расчет зависимости фото-ЭДС от освещенности 29

Выводы 31

Перечень ссылок 33

Приложение А Физические константы 34

Приложение Б Зависимость параметров от освещенности 35

Приложение В Температурная зависимость параметров

фотодиода 36

ВВЕДЕНИЕ

В некоторых условиях при освещении полупроводника между отдельными еготочками возникает разность потенциалов, так называемая фото-ЭДС.Появление ЭДС в полупроводнике, очевидно, может быть связано только свозникновением объемных зарядов, т. е, с разделением в пространствеположительных и отрицательных зарядов (электронов и дырок).

Однако поглощение света и фотоионизация непосредственно изменяют(увеличивают) только энергию электронов и дырок, не разделяя их впространстве. Действительно, например, при переходе под действием светаэлектрона с локального примесного уровня в зону проводимости электрон идырка, оставшаяся на уровне, разделяются в «пространстве энергий», ноостаются рядом в геометрическом пространстве.

Следовательно, для появления фото-ЭДС должны существовать добавочныепричины разделения неравновесных зарядов разных знаков.

В качестве таких причин выступают, например:

а) разница в подвижностях носителей тока разного знака, что принеравномерном освещении приводит к разделению зарядов из-за разныхскоростей диффузии. Эта причина обусловливает появление фото-ЭДСДембера.

б) наличие магнитного поля, в котором при диффузии заряды разделяются засчет отклонения в противоположные стороны. Это явление лежит в основефотомагнитного эффекта Кикоина—Носкова.

Обе названные выше причины разделения носителей разного знака характерныдля однородных (до освещения) полупроводников. Однако особенноэффективное разделение неравновесных носителей имеет место внеоднородных полупроводниках или полупроводниковых системах и, вчастности, в электронно-дырочных переходах или на других типахзапирающих слоев.

Величина вентильной фото-ЭДС на несколько порядков больше, чем ЭДСДембера и объемная фото-ЭДС. Коэффициент полезного действия вентильныхфотоэлементов может быть сделан достаточно большим, и поэтому онинаходят техническое применение для прямого преобразования световойэнергии в электрическую. В частности, вентильные фотоэлементыиспользуются для создания солнечных батарей, широко применяемых наискусственных спутниках Земли и космических кораблях.

Следует разделять два главных направления использованияполупроводниковых фотоэлементов:

а) преобразование световых сигналов в электрические;

б) преобразование световой (например, солнечной) энергии вэлектрическую.

Первое направление имеет большое значение для автоматики, измерительнойтехники, счетно-решающих механизмов и т. п.

Второе направление развивается в связи с космическими полетами и имееттакже большие перспективы для «земной» энергетики.

1 ОБЩАЯ ЧАСТЬ

1.1 Механизм действия электронно-дырочных фотоэлементов

1.1.2 Энергетическая схема электронно-дырочного перехода

На рис. 1.1 изображены энергетические схемы электронного и дырочногополупроводников до контакта. Предполагается, что полупроводникиодинаковы и отличаются лишь составом примесей. Края потенциальных ящиковизображены на одном уровне, соответствующем потенциальной энергииэлектрона вне полупроводника. Расстояния от уровня Ферми до краевпотенциальных ящиков, показанные на рисунке стрелками, определяют работувыхода. Из рисунка видно, что работа выхода из электронногополупроводника меньше, чем из дырочного. Следовательно, после приведенияполупроводников в контакт электроны будут переходить из электронногополупроводника в дырочный. При этом на границе возникает двойнойзаряженный слой с положительной компонентой в электронном иотрицательной в дырочном полупроводнике и, следовательно, разностьпотенциалов (именуемая контактной). По мере перехода электронов и ростаэтой разности потенциалов энергетические уровни дырочного полупроводникабудут смещаться вверх относительно электронного до тех пор, пока уровниФерми в обоих полупроводниках не окажутся на одной высоте.

Рисунок 1.1 – Энергетическме схемы электронного и дырочногополупроводника до контакта

В результате энергетическая схема контакта примет вид, изображенный нарис. 1.2 а. Вблизи контакта в переходной области, называемой частообластью объемного заряда, расстояние от уровня Ферми до краев основныхзон больше, чем в невозмущенных электронном и дырочном полупроводниках,и, следовательно, концентрация носителей и проводимость меньше.Переходная область называется также запорным слоем.

а – равновесие; б - при освещении

Рисунок 1.2 - Потоки электронов и дырок через n-p переход

Типичная конструкция электронно-дырочного фотоэлемента (фотодиода)изображена в разрезе рис. 1.3 а. Свет, падающий на поверхностьфотоэлемента (n-полупроводника, см рис. 1.3), образует парыэлектрон-дырка. «Неосновные» носители (т. е. дырки в n-полупроводнике)диффундируют сквозь слой n-полупроводника к области n-p перехода. Дырки,подошедшие к переходу, подхватываются полем, существующим на переходе, ивыбрасываются в p-полупроводник. Такой процесс идет до тех пор, покаположительный заряд p-полупроводника не возрастет настолько, чтодальнейший ток через n-p переход прекращается. Этому состояниюсоответствует определенная разность потенциалов между n и pполупроводником, так называемая вентильная фотоЭДС.

Рисунок 1.3 - Конструкция фотодиода

а - схема включения—«фотодиодный» режим;

б - схема включения—«вентильный» режим.

Рисунок 1.4 - Схемы включения фотодиода:

Фотодиоды, основанные на использовании n-p перехода, по существу,представляют собой разновидность давно известных вентильныхфотоэлементов. Имеется, однако, существенная разница между n-pфотодиодами и старыми типами вентильных фотоэлементов, заключающаяся втом, что фотодиоды могут с успехом использоваться в режиме, несвойственном вентильным фотоэлементам, а именно, при значительныхнапряжениях, приложенных в запирающем направлении. Этот режим работыфотоэлемента именуется «фотодиодным», а режим без внешнегонапряжения—«вентильным» (рис. 1.4 а, б).

Фотодиодная схема содержит во внешней цепи еще источник тока, включенныйтак, чтобы на n-p переходе было напряжение запорного знака. Этонапряжение выбирают по возможности большим, но, конечно, меньшепробойного напряжения n-p перехода. При этой схеме включениясуществующий в цепи ток (который в темноте есть ток насыщения n-pперехода и в хороших диодах очень мал) сильно изменяется при освещениии, соответственно, изменяется и падение напряжения на нагрузочномсопротивлении R. При правильном выборе напряжения источника и внешнегосопротивления величина электрического сигнала может быть сделана намногобольшей, чем в схеме фотоэлемента, и поэтому фотодиоды широкоприменяются для регистрации и измерения световых сигналов.

Общее уравнение фотодиода включенного в вентильном режиме имеет вид:

, (1.1)

где J – ток через фотодиод, А;

Jf – фототок, А;

Js – ток насыщения, А;

V – фото-ЭДС, В;

T – температура, К.

Это уравнение можно переписать в виде:

(1.2)

Подставив J=(V-V0)/R в (1.1) получим основное уравнение фотодиода вфотодиодном режиме:

, (1.3)

где V0 – внешнее напряжение, В.

1.2 Основные характеристики электронно-дырочных фотоэлементов

Экспериментальные результаты, приводимые ниже, получены главным образомна германиевых фотодиодах. Такие фотодиоды серийно изготовляютсяпромышленностью.

Из рис. 1.5 – 1.7, на которых изображены некоторые характеристики дляфотодиода в вентильном режиме, видно, что с ростом сопротивления Rразность потенциалов у на фотоэлементе растет, стремясь при R(( кзначению фото-ЭДС, а ток во внешней цепи J падает от значения, равногоJf, при R=0 и V= 0 до нуля.

Рисунок 1.5 - Нагрузочная характеристика n-р фотоэлемента в вентильномрежиме

Рисунок 1.6 – Вентильный режим

Рисунок 1.7 – Вольт-амперная характеристика

n-р фотоэлемента в вентильном режиме

Из рис. 1.7 видно, что малым токам соответствует предельное для даннойосвещенности значение фото-ЭДС.

1.2.1 Вольт-амперная характеристика

Если к n-p-переходу приложено напряжение в запирающем направлении (схемана рис. 1.8), то резко возрастают потенциальные барьеры для основныхносителей и, следовательно, ток через переход будет определятьсяпотоками неосновных носителей, падающих на границу раздела А.

Рисунок 1.8 – Схема n-p фотоэлемента, включеного в запирающемнаправлении (фотодиодный режим)

На эти потоки не влияет величина приложенного напряжения т. к.потенциальный барьер для неосновных носителей отсутствует, а токпропорционален их концентрации, которая определяется темпом термическойи оптической генерации. Ток тоже не зависит от напряжения, т. е. носитхарактер тока насыщения. В темноте ток равен Js, а при освещении за счетпоявления добавочных неосновных носителей возрастает на величину Jf.Этот вывод следует и из основного уравнения фотодиода (1.1).Действительно, при достаточно больших отрицательных V0 из (1.3) следует

J=Js+Jf (1.4)

Экспериментально получаемые вольтамперные характеристики длягерманиевого фотодиода хорошо соответствуют теории (рис. 1.9). Лишь вобласти больших напряжений появляется отклонение (рост тока), связанноес размножением носителей в n-p переходе в сильных электрических полях.

При малых напряжениях ( V получаем

, (1.5)

где величина R0=kT/(eJs) соответствует внутреннему сопротивлению n-pперехода при малых V.

Таким образом, в отсутствие освещения (Jf=0) ток линейно растет с Vприблизительно до V~kT/e, а затем стремится к насыщению. В результатеосвещения величина тока при любом V возрастает на Jf по сравнению с егозначением в темноте. Следовательно, при V=0 J=Jf (ток короткогозамыкания).

1 – темновой режим; 2-5 – возрастающая интенсивность освещения

Рисунок 1.9 – Вольт-амперные характеристики в фотодиодном режиме

1.2.2 Люкс-амперная характеристика

Величины тока короткого замыкания в вентильном режиме и добавки тока вфотодиодном режиме пропорциональны концентрации неосновных неравновесныхносителей, возникших при освещении.

Эта концентрация в стационарных условиях, как обычно, пропорциональнапроизведению темпа генерации (kI на среднее время существованиянеосновных носителей в базе.

Время существования лимитируется двумя процессами исчезновения —рекомбинацией и уходом через n-p переход. Обычно в правильносконструированных фотодиодах с достаточно тонкой базой влияниемрекомбинации можно пренебречь, так как все неосновные носители успеваютза время много меньшее, чем (, уйти через n-p переход.

В этих условиях ток Jf равен произведению элементарного заряда на полноечисло носителей, генерируемых светом в единицу времени во всем объеме:

Таким образом, величина Jf, прямо пропорциональна I при любых уровняхвозбуждения. Этот вывод хорошо подтверждается на опыте (рис. 1.10).

В фотодиодном режиме вплоть до весьма больших освещенностей наблюдаетсястрогая линейность. Это является важным достоинством фотодиодов. Ввентильном режиме тока короткого замыкания начальный участокхарактеристики также линеен, но при значительных освещенностях (дляразных образцов этот предел различен) наблюдается значительноеотступление от линейности, связанное с тем, что при большихосвещенностях конечная величина сопротивления толщи германия, контактови внешней цепи начинает играть существенную роль и таким образомнарушается режим тока короткого замыкания.

1 - вентильный режим;

2, 3 - фотодиодный режим при разных напряжениях

Рисунок 1.10 - Типичные люкс-амперные характеристики для германиевыхфотодиодов

В режиме разомкнутой цепи, как это следует из (1.2), фото-ЭДСлогарифмически зависит от Jf и, следовательно, от интенсивностиосвещения.

1.2.3 Спектральное распределение фоточувствительности

Спектральные зависимости для германиевых фотодиодов изображены на рис.1.11. Длинноволновая граница соответствует краю собственного поглощения.Спектральные характеристики для разных образцов несколько отличаютсядруг от друга, особенно в области длин волн короче 1 мк, однакоприближенно можно считать, что экстраполированная в сторону короткихдлин волн кривая проходит через нуль. Если учесть, что на рис. 1.11кривые построены в пересчете на единицу падающей энергии, указанноеобстоятельство свидетельствует о том, что, как и следовало ожидать,число возникающих в германии носителей пропорционально не количествусветовой энергии, а количеству квантов. Для проведения ориентировочныхрасчетов спектральную характеристику можно представить в видетреугольника с вершиной при 1,5 мк и основанием, простирающимся от 0 до2 мк (см. пунктирную линию на рис. 1.11). На самом деле, для квантов~2,3 эВ и в сторону более коротких длин волн за счет ударной ионизацииспад чувствительности прекращается.

Рисунок 1.11 - Спектральное распределение фототока для двух образцовфотодиодов.

1.2.4 Температурная зависимость темнового тока, фототока и фото-ЭДС

Фототок Jf правильно сконструированного фотодиода определяется полнымчислом поглощенных квантов и, если это число неизменно, очевидно, недолжен зависеть от температуры.

Экспериментальные данные, приведенные на рис. 1.12, в основномподтверждают это. Заметный слабый рост Jf с температурой, по-видимому,определяется уменьшением ширины запретной зоны, что при использованиибелого света приводит к увеличению в спектре числа квантов, способныхгенерировать неосновные носители. Слабая температурная зависимостьфототока является важным достоинством фотодиодов. Некоторым недостаткомих следует, однако, признать очень резкую температурную зависимостьтемнового тока Js (рис. 1.12, а и б). Это в первую очередь связано срезкой температурной зависимостью концентрации неосновных носителей.Действительно, поскольку обычно в рабочей области температур имеет местополная ионизация примесей и, следовательно, концентрация основныхносителей (например, электронов) неизменна, из выражения

, (1.6)

имеем для концентрации неосновных носителей

, (1.7)

Таким образом, p0, а следовательно, и Js быстро (приблизительноэкспоненциально) растут с температурой, причем в показателе экспонентыстоит, полная ширина запретной зоны.

Для уменьшения величины тернового тока следует либо понижатьтемпературу, либо использовать для изготовления фотодиодов вещества сболее широкой запретной зоной.

а – температура выше комнатной;

б – температура ниже комнатной

Рисунок 1.12 – Температурная зависимость тока насыщения Js и фототока Jfгерманиевого фотодиода

2 РАСЧЕТНАЯ ЧАСТЬ

Значения физических констант и некоторых параметров германия приведены вприложении А. Расчеты проведены в электронной таблице EXEL97.

2.1 Расчет зависимости фототока от освещенности

Фотодиод облучается видимым светом с длиной волны (=6*10-7 м. Из (=с/(,частота этого излучения (=5*1014 Гц.

Jf=e((I/(h() , (1)

где Jf – фототок, А;

( - часть нерекомбинировавших зарядов, дошедших до перехода, в данномслучае, для тонкой базы, (=1;

( - квантовый выход, в данном случае (=1;

I – освещенность, I=1014 - 1020 (см2с)-1;

( - частота излучения, (=5*1014 Гц.

Результаты расчета фототока приведены в приложении Б. График зависимостифототока от освещенности изображен на рисунке 2.1.

Рисунок 2.1 - Зависимость фототока от освещения

Так как диапазон изменения освещенности широк, график построен влогарифмических координатах (логарифм с основанием 2). От температурыфототок практически не зависит.

2.2 Расчет зависимости тока насыщения от температуры

Значения тока насыщения необходимы для расчетов других параметровфотодиода.

2.2.1 Коэффициент диффузии носителей заряда

D=(e/(kT) , (2)

где D – коэффициент диффузии, для электронов – Dn, для дырок – Dp, ;

( - подвижность носителей, (n и (p для электронов и дыроксоответственно, значения – в приложении А;

Т – температура, Т=193 – 473 К.

Результаты расчета коэффициента диффузии приведены в приложении В.

2.2.2 Диффузионная длина

, (3)

где L – диффузионная длина, Ln – для электронов, Lp – для дырок, см;

( - время жизни неосновных носителей, (=0,001 с.

Результаты расчета диффузионной длины приведены в приложении В.

2.2.3 Эффективная плотность состояний в валентной зоне и зонепроводимости

, (4)

где N – эффективная плотность состояний, Nc – для зоны проводимости, Nv– для валентной зны, с-1;

m* - эффективная масса, m*р – для дырок, m*n – для электронов, значения– в приложении А.

Результаты расчета эффективной плотности состояний приведены вприложении В.

2.2.4 Собственная концентрация

, (5)

где ni2 – собственная концентрация, см-6;

(Е –ширина запрещенной зоны, значение в приложении А.

Результаты расчета собственной концентрации приведены в приложении В.

2.2.5 Концентрация неосновных носителей заряда

pn= ni2/nn , (6.1)

np= ni2/pp . (6.2)

где np, pn – концентрация электронов в р-области и дырок в n-области,см-3;

nn, pp – концентрация основных носителей,

nn=pp=2*1015 см-3.

Результаты расчета концентрации неосновных носителей приведены вприложении В.

2.2.6 Ток насыщения

, (7)

где Js – ток насыщения, А.

Результаты расчета тока насыщения приведены в приложении В. Графиктемпературной зависимости тока насыщения изображен на рисунке 2.2.

Рисунок 2.2 – Зависимость тока насыщения от температуры

2.3 Расчет зависимости фото-ЭДС от температуры

Фотодиод облучается видимым светом с длиной волны (=6*10-7 м иинтенсивностью I=6,4*1015 1/см2с. Из предыдущих расчетов (см. приложениеБ), этим значениям соответствует фототок Jf=4,9*10-4A.

, (8)

где V – фото-ЭДС, В.

Результаты расчета фото-ЭДС приведены в приложении В. Графиктемпературной зависимости фото-ЭДС изображен на рисунке 2.3.

Рисунок 2.3 – Зависимость фото-ЭДС от температуры

2.4 Расчет зависимости фото-ЭДС от освещенности

рисунке 2.4.

Рисунок 2.4 – Зависимость фото-ЭДС от освещенности

ВЫВОДЫ

Расчеты показывают, что для повышения напряжения на выходе фотодиодногопреобразователя энергии, необходимо поддерживать низкую температуру ииспользовать материалы с максимальной шириной запрещенной зоны.

Использование фотодиодного режима для преобразования сигналов имеетпреимущество по сравнению с использованием вентильного режима в том, чтообладает большей вольтовой чувствительностью. В вентильном режиме полнаясветовая добавка тока Jf может быть получена только в режиме токакороткого замыкания. В фотодиодном режиме ту же величину Jf можнополучить при наличии в цепи большого нагрузочного сопротивления.Следовательно, и сигнал, снимаемый с этого сопротивления, будет иметьбольшую величину.

Однако, и вентильный режим в свою очередь обладает двумя важнымипреимуществами перед фотодиодным. Это, во-первых, отсутствие источниковпитания и, во-вторых, чрезвычайно низкий уровень шумов. Весьма малаявеличина шумов в вентильном режиме (существенно меньшая, чем вфотодиодном) обусловлена в основном тем, что в этом режиме темновой токравен нулю, в то время как в фотодиодном этот ток имеет заметнуювеличину и его флуктуации (из-за нестабильности контактов и т. п.) чащевсего и определяют шумы.

Очевидно, что наиболее благоприятным был бы режим, в котором совмещалисьбы преимущества как фотодиодного режима (большая вольтоваячувствительность, малая инерционность), так и вентильного (малые шумы,отсутствие источников питания). Эта возможность может быть осуществленапри работе фотодиода в вентильном режиме тока короткого замыкания, нопри достаточно низких температурах. Уже начиная с ~ - 40 °С сигнал ввентильном режиме становится равным сигналу в фотодиодном, в то времякак уровень шумов в первом случае по крайней мере на два порядка ниже,чем во втором.

Итак, вентильный режим тока короткого замыкания оказывается оптимальнымдля регистрации малых сигналов.

Перспективным является использование в фотодиодах гетеропереходов исложных полупроводниковых соединений.

ПЕРЕЧЕНЬ ССЫЛОК

1 Рывкин С.М. Фотоэлектрические явления в полупроводниках. – М.:Физматгиз, 1963. – 496 с.

2 Бонч-Бруевич В.Л., Калашников С.Г. Физика полупроводников. – М.: 1977.– 672 с.

3 Шалимова К.В. Физика полупроводников. – М.: Энергия, 1976. – 416 с.

4 Тауц Я., Фото- и термоэлектрические явления в полупроводниках. - М.:1962. – 544 с.

5 Пикус Г.Е., Основы теории полупроводниковых приборов, М.: Наука, -1965. – 628 с.

6 Васильев А.М., Ландсман А.П., Полупроводниковые фотопреобразователи.– М.: Советское радио, - 1971. – 568с.

Приложение А

Физические константы

Таблица А.1 – Используемые в расчетах общие физические постоянные инекоторые постоянные для германия

Обозначения Размерность Постоянная Значение

Общие

c м/с скорость света в вакууме 3*108

e Кл заряд электрона 1,6*10-19

h Дж*с постоянная Планка 6,6*10-34

k Дж/К постоянная Больцмана 1,38*10-23

Для германия

(n см2/Вс подвижность электронов 3900

(p см2/Вс подвижность дырок 1900

mn* кг эффективная масса электрона

mp* кг эффективная масса дырки

(E эВ ширина запрещенной зоны 0,66

Приложение Б

Зависимость параметров фотодиода от освещенности

Таблица Б.1 – Зависимость фототока и фото-ЭДС от освещенности

I, 1/(см^2с) If, А v, B

1,00E+14 7,7576E-06 0,35668015

2,00E+14 1,5515E-05 0,37461532

4,00E+14 3,103E-05 0,39255049

8,00E+14 6,2061E-05 0,41048567

1,60E+15 0,00012412 0,42842085

3,20E+15 0,00024824 0,44635604

6,40E+15 0,00049648 0,46429122

1,28E+16 0,00099297 0,4822264

2,56E+16 0,00198594 0,50016159

5,12E+16 0,00397188 0,51809677

1,02E+170???????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????

Приложение В

Температурная зависимость параметров фотодиода

Таблица В.1 - Результаты расчета зависимости тока насыщения оттемпературы

Т, С T, K De Dp Le Lp Nc, 1/cm3 Nv, 1/cm3 ni, 1/cm6 pn, np, 1/cm3 Is, Av, B

-80 193 9,15E+04 4,46E+04 9,57 6,68 5,48E+24 2,71E+24 8,97E+31 4,48E+177,28E-17 3,69E-01

-70 203 8,70E+04 4,24E+04 9,33 6,51 5,92E+24 2,92E+24 7,36E+32 3,68E+185,83E-16 3,51E-01

-60 213 8,29E+04 4,04E+04 9,11 6,36 6,36E+24 3,14E+24 4,99E+33 2,49E+193,86E-15 3,34E-01

-50 223 7,92E+04 3,86E+04 8,90 6,21 6,81E+24 3,37E+24 2,87E+34 1,43E+202,17E-14 3,16E-01

-40 233 7,58E+04 3,69E+04 8,71 6,08 7,27E+24 3,59E+24 1,43E+35 7,13E+201,05E-13 2,99E-01

-30 243 7,27E+04 3,54E+04 8,53 5,95 7,75E+24 3,83E+24 6,25E+35 3,13E+214,52E-13 2,81E-01

-20 253 6,98E+04 3,40E+04 8,36 5,83 8,23E+24 4,07E+24 2,45E+36 1,22E+221,74E-12 2,63E-01

-10 263 6,72E+04 3,27E+04 8,20 5,72 8,72E+24 4,31E+24 8,69E+36 4,34E+226,05E-12 2,45E-01

0 273 6,47E+04 3,15E+04 8,04 5,61 9,22E+24 4,56E+24 2,82E+37 1,41E+231,93E-11 2,27E-01

10 283 6,24E+04 3,04E+04 7,90 5,51 9,74E+24 4,81E+24 8,46E+37 4,23E+235,68E-11 2,09E-01

20 293 6,03E+04 2,94E+04 7,76 5,42 1,03E+25 5,07E+24 2,36E+38 1,18E+241,56E-10 1,91E-01

30 303 5,83E+04 2,84E+04 7,64 5,33 1,08E+25 5,33E+24 6,19E+38 3,09E+244,01E-10 1,73E-01

40 313 5,64E+04 2,75E+04 7,51 5,24 1,13E+25 5,60E+24 1,53E+39 7,64E+249,75E-10 1,55E-01

50 323 5,47E+04 2,66E+04 7,39 5,16 1,19E+25 5,87E+24 3,58E+39 1,79E+252,25E-09 1,37E-01

60 333 5,30E+04 2,58E+04 7,28 5,08 1,24E+25 6,14E+24 7,99E+39 4,00E+254,94E-09 1,18E-01

70 343 5,15E+04 2,51E+04 7,18 5,01 1,30E+25 6,42E+24 1,71E+40 8,53E+251,04E-08 1,00E-01

80 353 5,00E+04 2,44E+04 7,07 4,94 1,36E+25 6,70E+24 3,50E+40 1,75E+262,10E-08 8,30E-02

90 363 4,87E+04 2,37E+04 6,98 4,87 1,41E+25 6,99E+24 6,92E+40 3,46E+264,10E-08 6,63E-02

100 373 4,74E+04 2,31E+04 6,88 4,80 1,47E+25 7,28E+24 1,32E+41 6,60E+267,71E-08 5,11E-02

110 383 4,61E+04 2,25E+04 6,79 4,74 1,53E+25 7,57E+24 2,44E+41 1,22E+271,41E-07 3,77E-02

120 393 4,49E+04 2,19E+04 6,70 4,68 1,59E+25 7,87E+24 4,39E+41 2,19E+272,50E-07 2,67E-02

130 403 4,38E+04 2,14E+04 6,62 4,62 1,65E+25 8,18E+24 7,67E+41 3,83E+274,31E-07 1,84E-02

140 413 4,28E+04 2,08E+04 6,54 4,56 1,72E+25 8,48E+24 1,31E+42 6,54E+277,26E-07 1,23E-02

150 423 4,18E+04 2,03E+04 6,46 4,51 1,78E+25 8,79E+24 2,18E+42 1,09E+281,19E-06 8,18E-03

160 433 4,08E+04 1,99E+04 6,39 4,46 1,84E+25 9,10E+24 3,55E+42 1,77E+281,92E-06 5,42E-03

170 443 3,99E+04 1,94E+04 6,31 4,41 1,91E+25 9,42E+24 5,66E+42 2,83E+283,03E-06 3,60E-03

180 453 3,90E+04 1,90E+04 6,24 4,36 1,97E+25 9,74E+24 8,86E+42 4,43E+284,70E-06 2,42E-03

190 463 3,81E+04 1,86E+04 6,18 4,31 2,04E+25 1,01E+25 1,36E+43 6,81E+287,14E-06 1,64E-03

200 473 3,73E+04 1,82E+04 6,11 4,27 2,10E+25 1,04E+25 2,06E+43 1,03E+291,07E-05 1,13E-03

geum.ru

Реферат - Принцип действия фотодиода

Принцип действия фотодиода

Полупроводниковый фотодиод — это полупроводниковый диод обратный ток которого зависит от освещенности.

Обычно в качестве фотодиода используют полупроводниковые диоды с р-п переходом, который смещен в обратном направлении внешним источником питания. При поглощении квантов света в р-n переходе или в прилегающих к нему областях образуются новые носители заряда. Неосновные носители заряда, возникшие в областях, прилегающих к р-п переходу на расстоянии, не превь,’, ающем диффузионной длины, диффундируют в р-п переход и проходя* через него под действием электрического поля. То есть обратный ток при освещении возрастает. Поглощение квантов непосредственно в р-п переходе приводит к аналогичным результатам. Величина, на которую возрастает обратный ток, называется фототоком.

Характеристики фотодиодов

Свойства фотодиода можно охарактеризовать следующими характеристиками:

Темновое сопротивление — сопротивление фотодиода в отсутствие освещения.

Интегральная чувствительность определяется формулой:

где 1ф — фототок, Ф — освещенность.

Инерционность

Существует три физических фактора, влияющих на инерционность:

1. Время диффузии или дрейфа неравновесных носителей через базу т;

2. Время пролета через р-n переход т,;

3. Время перезарядки барьерной емкости р-п перехода, характеризующееся постоянной времени RC6ap.

Расчет КПД фотодиода и мощности

КПД вычисляется по формуле:

где Росв — мощность освещенности; I — сила тока;

U — напряжение на фотодиоде.

Расчет мощности фотодиода иллюстрирует рис. 2.12 и таблица 2.1.

Рис. 2.12. Зависимость мощности фотодиода от напряжения и силы тока

Максимальная мощность фотодиода соответствует максимальной площади данного прямоугольника.

Таблица 2.1. Зависимость мощности от КПД

Мощность освещенности, мВт

Сила тока, мА

Напряжение, В

КПД, %

0,0464

0,24

1,1

0,1449

0,41

0,248

0,26

1,3

0,242

0,45

1,6

Применение фотодиода в олтоэлектронике

Фотодиод является составным элементом во многих сложных оптоэлектронных устройствах:

• Оптоэлектронные интегральные микросхемы.

• Многоэлементные фотоприемники.

Как происходит восприятие образов?

В главе 3 книги описаны приборы и устройства, иллюстрирующие применение оптронов.

Применение фотоприемников

ИК спектра

Таблица 2.2. Излучающие диоды инфракрасного спектра

ИК диод

Мощность излучения, мВт

Длина волны, мкм

Ширина спектра, мкм

Напряжение на приборе, В

Угол излучения, град

АЛ107Б

0,94…0,96

0,03

АЛ107Г

0,94…0,96

0,03

АЛ145Д

0,93…0,98

0,06

1,6

АЛ156В

0,82…0,9

0,04

1,8

АЛ161А

0,83…0,9

0,07

1,5

АЛ165Б

0,85…0,89

0,04

АЛ165В

400

0,85…0,9

нет данных

1,6

нет данных

АЛ170В

100

0,85…0,89

0,1

1,5

Параметр времени спада импульса tcnM3J1 аналогичен предыдущему.

Скважность — Q — отношение периода импульсных колебаний к длительности импульса.

www.ronl.ru

Реферат: Принцип действия фотодиода. Фотодиоды реферат

Реферат Фотодиод

План:

Введение

1. Описание

2. Параметры и характеристики фотодиодов

3. Классификация

Примечания

Реферат: Принцип действия фотодиода

Курсовая: Фотодиод

Реферат - Принцип действия фотодиода

Смотрите также