Реферат: Принцип действия фотодиода:. Реферат фотодиод

Реферат Фотодиод

Реферат на тему:

План:

Введение
• 1 Описание
• 2 Параметры и характеристики фотодиодов
• 3 Классификация
Примечания

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. ;  — токовая чувствительность по световому потоку ;  — 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.

• 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: Для реализации лавинного умножения необходимо выполнить два условия: 1) Электрическое поле области пространственного заряда должно быть достаточно большим, чтобы на длине свободного пробега электрон набрал энергию, большую, чем ширина запрещённой зоны: 2) Ширина области пространственного заряда должна быть существенно больше, чем длина свободного пробега: 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

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

Категории: Оптоэлектроника, Полупроводниковые диоды.

wreferat.baza-referat.ru

Реферат - Фотодиод в оптоэлектронике

Министерство общего и профессионального образования

Российской Федерации

САРАТОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ им. Н.Г.ЧЕРНЫШЕВСКОГО

Кафедра физики

Полупроводников

ФОТОДИОД В

ОПТОЭЛЕКТРОНИКЕ

Курсовая работа

Студента 1 курса физического факультета

Машкова Дмитрия Александровича

Научный руководитель

профессор

________ Роках А.Г.

/подпись/

Зав. кафедрой

профессор, доктор

_________ Б.Н.Климов

/подпись/

Саратов – 1999г.

План работы

1. Введение и постановка задачи

2. Физические основы внутреннего фотоэффекта

3. Принцип действия фотодиода

4. Практическая часть (исследование характеристик фотодиода)

5. Применение фотодиода в оптоэлектронике

6. Заключение

7. Литература

1.ВВЕДЕНИЕ И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ

В наши дни прогресс в различных областях науки и техники немыслим без приборов оптической электроники. Оптическая электроника уже давно играет ведущую роль в жизни человека. А с каждым годом ее внедрение во все сферы человеческой деятельности становится все интенсивнее. И этому есть свои причины. Устройства оптоэлектроники имеют ряд отличий от других устройств. Можно выделить следующие их достоинства.

а) 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).

б) Острая направленность 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 электромагнитную энергию в заданную область пространства. В малогабаритных электронных устройствах лазерный луч может быть направлен на фоточувствительные площадки микронных размеров.

в) Возможность двойной – временной и пространственной модуляции светового луча. Минимальная элементарная площадка в плоскости, перпендикулярной направлению распространения, которая может быть выделена для независимой модуляции части луча близка к 2(108 см2). Это позволяет производить параллельную обработку информацию, что очень важно при создании высокопроизводительных комплексов.

г) Так как источник и приемник в оптоэлектронике не связаны друг с другом электрически, а связь между ними осуществляется только посредством светового луча (электрически нейтральных фотонов), 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 (отсюда и высокая помехозащищенность).

д) возможность непосредственного оперирования со зрительно воспринимаемыми образами: фотосчитывание, визуализация (например, на жидких кристаллах).

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

Фотодиоды обладают наилучшим сочетанием фотоэлектрических параметров, основных с точки зрения использования в оптоэлектронике: высокие значения чувствительности и быстродействия, малые значения паразитивных параметров (например, ток утечки). Простота их устройства позволяет достигнуть физического и конструкционного 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 оптоэлектронном 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.

Ну а целью моей работы является исследование характеристик фотодиода: вольт-амперной характеристики, коэффициента полезного действия.

2.ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ВНУТРЕННЕГО ФОТОЭФФЕКТА

Падающий на вещество поток света может испытывать отражение, поглощение или проходить насквозь.

Если поглощенный свет приводит к такому увеличению энергии электронов, что они покидают объем, занимаемый веществом, говорят о внешнем фотоэффекте. Если при освещении изменяется энергетическое состояние носителей заряда внутри твердого тела, то мы имеем дело с внутренним фотоэффектом. При этом добавочная проводимость, обусловленная носителями заряда, созданными излучением, называется фотопроводимостью.

При внутреннем фотоэффекте первичным актом является поглощение фотона. Поэтому процесс образования свободных носителей заряда под воздействием излучения будет проходить по-разному в зависимости от особенностей процесса поглощения света. К тому же поглощенный свет не всегда вызывает фотоэффект.

Существует несколько видов поглощения света.

а) собственное поглощение.

Этот вид поглощения имеет место в том случае, когда оптическое возбуждение электронов происходит из валентной зоны в зону проводимости. Для полупроводника с прямыми долинами при вертикальных переходах энергия фотона h должна быть не меньше ширины запрещенной зоны, то есть

h Eg.

Для сильно легированного полупроводника n-типа когда уровень Ферми расположен выше края зоны проводимости на величину n, нижняя граница фотопроводимости будет соответствовать

h = Eg + n .

В сильно легированном полупроводнике p-типа уровень Ферми лежит на величину p ниже края валентной зоны, поэтому

h = Eg + p.

При больших энергиях фотонов поглощение в фундаментальной области ведет к увеличению фотопроводимости за счет роста коэффициента поглощения . В случае собственного поглощения  достигает наибольшей величины – (106 см-1). Вместе с тем такое поглощение увеличивает концентрацию носителей заряда вблизи поверхности полупроводника или диэлектрика, которые имеют меньшее время жизни, чем носители заряда в объеме.

б) примесное поглощение.

Такое поглощение при наличии в запрещенной зоне полупроводника локальных уровней примеси может вызвать переходы электронов между уровнями примеси и зонами. Фотопроводимость, обусловленная такими переходами, называется примесной фотопроводимостью. Для реализации таких переходов нужна меньшая энергия кванта, чем для реализации переходов из валентной зоны в зону проводимости. Поэтому примесное поглощение имеет место при больших длинах волн падающего света.

в) экситонное поглощение.

При экситонном поглощении света имеет место создание связанной пары электрон-дырка, которая является электрически нейтральным образованием. Поэтому поглощение света, связанное с образованием экситонов, первоначально не ведет к возникновению свободных носителей заряда. Однако в реальных кристаллических структурах экситоны имеют значительно большую вероятность диссоциировать безызлучательно (с образованием электронов и дырок), чем рекомбинировать с испусканием кванта света. Таким образом, образование экситонов в конечном итоге ведет к возникновению свободных носителей заряда, а следовательно, и фототока. Экситонное поглощение, характеризующееся узкими полосами поглощения, определяет и узкие полосы фототока. При этом спектр фототока в области экситонного поглощения будет зависеть от состояния поверхности. Состояние поверхности полупроводника можно легко изменить путем воздействия на нее (механическое, химическое и т.д.). Таким образом можно изменить характер наблюдаемого спектра фототока, обусловленного экситонным поглощением.

г) поглощение свободными носителями заряда.

Поглощение света свободными носителями заряда сопровождается увеличением их энергии. При этом, в отличие от рассмотренных выше трех видов поглощения, число свободных носителей не изменяется. Но вместе с тем изменяется подвижность носителей заряда.

д) поглощение кристаллической решеткой.

В результате такого поглощения увеличивается амплитуда колебаний узлов решетки. В этом случае не изменяется ни концентрация носителей заряда, ни их подвижность. Поэтому поглощение света кристаллической решеткой не является фотоактивным.

Поглощение света свободными носителями заряда и кристаллической решеткой не могут непосредственно вызвать изменение концентрации носителей заряда. Однако возрастание концентрации носителей заряда в этих случаях может происходить в результате вторичных эффектов, когда поглощение света значительно увеличивает кинетическую энергию свободных носителей заряда или увеличивает концентрацию фононов, которые затем отдают свою энергию на возбуждение носителей заряда.

3.ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ ФОТОДИОДА

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

Обычно в качестве фотодиода используют полупроводниковые диоды с p-n переходом, который смещен в обратном направлении внешним источником питания.

При поглощении квантов света в p-n переходе или в прилегающих к нему областях образуются новые носители заряда. Неосновные носители заряда, возникшие в областях, прилегающих к p-n переходу на расстоянии, не превышающей диффузионной длины, диффундируют в p-n переход и проходят через него под действием электрического поля. То есть обратный ток при освещении возрастает. Поглощение квантов непосредственно в p-n переходе приводит к аналогичным результатам. Величина, на которую возрастает обратный ток, называется фототоком.

Свойства фотодиода можно охарактеризовать следующими характеристиками.

а) вольт-амперная характеристика фотодиода представляет собой зависимость светового тока при неизменном световом потоке и темнового тока Iтемнот напряжения.

б) световая характеристика фотодиода, то есть зависимость фототока от освещенности, соответствует прямой пропорциональности фототока от освещенности. 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.

г) спектральная характеристика фотодиода – это зависимость фототока от длины волны падающего света на фотодиод. Она определяется со стороны больших длин волн шириной запрещенной 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.

д) 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.

е) темновое сопротивление – сопротивление фотодиода в отсутствие освещения.

ж) интегральная чувствительность

K = Iф/,

где Iф – фототок, – освещенность.

з) инерционность.

Существует 3 физических фактора, влияющих на инерционность: 1) время диффузии или дрейфа неравновесных носителей через базу ; 2) время пролета через p-n переход i; 3) время перезарядки барьерной емкости p-n перехода, характеризующееся постоянной времени RСбар .

Время диффузии носителей заряда через базу можно определить (аналогично времени пролета носителей заряда через базу транзистора) для бездрейфового:

tпрол =,

и дрейфового:

tпрол =

g50 нс.

Время пролета через p-n переход:

i = ,

где  — толщина p-n перехода, vmax – максимальная скорость дрейфа носителей заряда (vmax для кремния и германия равна 5*106 см/c).

Толщина p-n перехода, зависящая от обратного напряжения и концентрации примесей в базе, обычно меньше 5 мкм, а значит i=0.1 нс. RCбар определяется барьерной емкостью p-n перехода, зависящей от напряжения и сопротивления базы фотодиода при малом сопротивлении нагрузки во внешней цепи. Величина RСбар порядка нескольких наносекунд.

4.ПРАКТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

Расчет КПД фотодиода.

КПД вычисляется по формуле:

,

где Pосв – мощность освещенности, I – сила тока, U – напряжение на фотодиоде.

Максимальная мощность фотодиода соответствует максимальной площади данного прямоугольника.

Среднее значение: 1.5%.

Вывод: коэффициент полезного действия фотодиода согласно полученным данным составил в среднем 1.5%.

5.ПРИМЕНЕНИЕ ФОТОДИОДА В ОПТОЭЛЕКТРОНИКЕ

Фотодиод является составным элементом во многих сложных оптоэлектронных устройствах. И поэтому он находит широкое применение.

а) 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. Почти идеальная гальваническая развязка управляющих цепей при сохранении между ними сильной функциональной связи.

б) многоэлементные фотоприемники.

Эти приборы (сканистор, мишень кремникона, 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. Сочетая в себе успехи физики дискретных фотоприемников и новейшие технологические достижения больших интегральных схем, многоэлементные фотоприемники вооружают оптоэлектронику твердотельным «глазом», способным реагировать не только на яркостно-временные, но и на пространственные характеристики объекта, то есть воспринимать его полный зрительный образ.

Для успешного выполнения этих функций необходимо, чтобы число элементарных фоточувствительных ячеек в приборе было 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).

Принцип восприятия образов этими системами сводится к следующему. 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. В конечном счете, 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.

в) оптроны.

Оптроном называется такой оптоэлектронный прибор, в котором имеются источник и приемник излучения с тем или иным видом оптической и электрической связи между ними, конструктивно объединенные и помещенные в один корпус.

В электронной схеме оптрон выполняет функцию элемента связи, в одном из звеньев которого информация передается оптически. Это основное назначение оптрона. Если между компонентами оптрона создать электрически обратную связь, то оптрон может стать активным прибором, пригодным для усиления и генерации электрических и оптических сигналов.

Принципиальное отличие оптронов как элементов связи заключается в использовании для переноса информации электрически нейтральных фотонов, что обуславливает ряд достоинств оптронов, которые присущи и всем остальным оптоэлектронным приборам в целом. Хотя у оптронов есть, разумеется, и свои недостатки.

Оптронная техника базируется на достижениях в области физики и технологии излучателей и фотоприемников.

6.ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Важная особенность фотодиодов – высокое быстродействие. Они могут работать на частотах до нескольких миллионов герц. Фотодиоды обычно изготовляют из германия или кремния.

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

В будущем крайне важно повышение рабочей температуры фотодиодов. Оценивая сегодняшнюю оптоэлектронику в целом, можно сказать, что она скорее «криогенная», чем «комнатная».

Будущее оптоэлектроники находится в прямой зависимости от прогресса фотодиодных структур. Оптическая электроника бурно развивается, разрабатываются новые типы фотоприемников, и наверняка уже скоро появятся фотодиоды на основе новых материалов с большей чувствительностью, повышенным быстродействием и с улучшенными характеристиками в целом.

7.ЛИТЕРАТУРА

1. Роках А. Г. Фотоэлектрические явления в полупроводниках и диэлектриках. — Саратов: Издательство Саратовского университета, 1984.

2. Названов В. Ф. Основы оптоэлектроники. – Саратов: Издательство Саратовского университета, 1980.

3. Носов Ю. Р. Оптоэлектроника. – М.: Советское радио, 1977.

4. Василевский А. М. и др. Оптическая электроника/ А. М. Василевский, М. А. Кропоткин, В. В. Тихонов. – Л.: Энергоатомиздат. Ленингр. Отд-ние, 1990.

5. Шалимова К. В. Физика полупроводников. – М.: Энергия, 1976.

6. Пасынков В.В. и др. Полупроводниковые приборы/ В.В. Пасынков, Л.К. Чиркин, А.Д. Шинков. – М.: Высшая школа, 1973.

В папке «tables» находятся таблицы и графики, которые отображают вольт-амперную характеристику фотодиода (не знаю какой марки) при мощности освещения светодиодом (тоже не знаю какой марки) 1, 3, 5 и 7 милливатт, а так- же вольт-амперная характеристика (ВАХ) фотодиода без освещения (т.е. когда ток — темновой). Причем, ВАХ дана для работы фотодиода как в прямом (график — справа), так и в обратном (график — слева) напрвлении. Но они в не очень хорощо оформленном виде, т.к. они бы- ли мне нужны для защиты этой работы и не было времени их «довести до ума». Пусть Вас не смущает ВАХ при мощности освещения 5 млВт для обратного напрвления. График построен всего по двум значениям и лишь только поэтому представляет собой прямую. Дело в том, что после того, ка я получил 2 значения для I и 2 — для U, дальнейшее изменение силы тока не приводило к изменению напряжения и ток быстро стал насыщенным.(да, кстати, не знаю почему на этом графике две прямых). Эти таблицы мне не удалось поместить в файл «fotodiod» (вернее таблицы-то удалось, неудалось — графики) и поэтому они даны отдельно (я не достаточно хорошо знаю Excel и надеюсь, что у Вас получится).В связи с этим работа построена так, что ее можно распечатать и без них, а потом распечатать таблицы и вставить эти листы в 4 пункт работы сразу после того места, где заканчивается расчет КПД. А следующий пункт работы начнется с нового листа и не останется пустых мест (я так сделал).

Да, а защитился я конечно же на «отл», чего и Вам желаю. Надеюсь, что моя работа будет Вам хоть чем-то полезна.

Удачи на экзаменах.

Автор.

www.ronl.ru

Реферат: Фотодиод в оптоэлектронике

Министерство общего и профессионального образования

Российской Федерации

САРАТОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ им. Н.Г.ЧЕРНЫШЕВСКОГО

Кафедра физики

                                     Полупроводников

Курсовая работа

Студента 1 курса физического факультета

Машкова Дмитрия Александровича

Научный руководитель

профессор                                        

                                          ________ Роках А.Г.

                                                                                    /подпись/

Зав. кафедрой

профессор, доктор

                                          _________  Б.Н.Климов       

                                                                             /подпись/

Саратов – 1999г.

План работы

1. Введение и постановка задачи

2. Физические основы внутреннего фотоэффекта

3. Принцип действия фотодиода

4. Практическая часть (исследование характеристик фотодиода)

5. Применение фотодиода в оптоэлектронике

6. Заключение

7. Литература

1.ВВЕДЕНИЕ И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ

В наши дни прогресс в различных областях науки и техники немыслим без приборов оптической электроники. Оптическая электроника уже давно играет ведущую роль в жизни человека. А с каждым годом ее внедрение во все сферы человеческой деятельности становится все интенсивнее. И этому есть свои причины. Устройства оптоэлектроники имеют ряд отличий от других устройств. Можно выделить следующие их достоинства.

а) Высокая информационная емкость оптического канала, связанная с тем, что частота световых колебаний (около 1015 Гц) в 103-104раз 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).

б) Острая направленность 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 электромагнитную энергию в заданную область пространства. В малогабаритных электронных устройствах лазерный луч может быть направлен на фоточувствительные площадки микронных размеров.

в) Возможность двойной – временной и пространственной модуляции светового луча. Минимальная элементарная площадка в плоскости, перпендикулярной направлению распространения, которая может быть выделена для независимой модуляции части луча близка к l2(108 см2). Это позволяет производить параллельную обработку информацию, что очень важно при создании высокопроизводительных комплексов.

г) Так как источник и приемник в оптоэлектронике не связаны друг с другом электрически, а связь между ними осуществляется только посредством светового луча (электрически нейтральных фотонов), 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 (отсюда и высокая помехозащищенность).

д) возможность непосредственного оперирования со зрительно воспринимаемыми образами: фотосчитывание, визуализация (например, на жидких кристаллах).

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

Фотодиоды обладают наилучшим сочетанием фотоэлектрических параметров, основных с точки зрения использования в оптоэлектронике: высокие значения чувствительности и быстродействия, малые значения паразитивных параметров (например, ток утечки). Простота их устройства позволяет достигнуть физического и конструкционного 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 оптоэлектронном 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.

Ну а целью моей работы является исследование характеристик фотодиода: вольт-амперной характеристики, коэффициента полезного действия.

2.ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ВНУТРЕННЕГО ФОТОЭФФЕКТА

Падающий на вещество поток света может испытывать отражение, поглощение или проходить насквозь.

Если поглощенный свет приводит к такому увеличению энергии электронов, что они покидают объем, занимаемый веществом, говорят о внешнем фотоэффекте. Если при освещении изменяется энергетическое состояние  носителей заряда внутри твердого тела, то мы имеем дело с внутренним фотоэффектом. При этом добавочная проводимость, обусловленная носителями заряда, созданными излучением, называется фотопроводимостью.

При внутреннем фотоэффекте первичным актом является поглощение фотона. Поэтому процесс образования свободных носителей заряда под воздействием излучения будет проходить по-разному в зависимости от особенностей процесса поглощения света. К тому же поглощенный свет не всегда вызывает фотоэффект.

Существует несколько видов поглощения света.

а) собственное поглощение.

Этот вид поглощения имеет место в том случае, когда оптическое возбуждение электронов происходит из валентной зоны в зону проводимости. Для полупроводника с прямыми долинами при вертикальных переходах энергия фотона hn должна быть не меньше ширины запрещенной зоны, то есть

hn  Eg.

Для сильно легированного полупроводника n-типа когда уровень Ферми расположен выше края зоны проводимости на величину xn, нижняя граница фотопроводимости будет соответствовать

hn = Eg + xn .

В сильно легированном полупроводнике p-типа уровень Ферми лежит на величину xp ниже края валентной зоны, поэтому

hn = Eg + xp.

 При больших энергиях фотонов поглощение в фундаментальной области ведет к увеличению фотопроводимости за счет роста коэффициента поглощения a. В случае собственного поглощения a достигает наибольшей величины – (106 см-1). Вместе с тем такое поглощение увеличивает концентрацию носителей заряда вблизи поверхности полупроводника или диэлектрика, которые имеют меньшее время жизни, чем носители заряда в объеме.

б) примесное поглощение.

Такое поглощение при наличии в запрещенной зоне полупроводника локальных уровней примеси может вызвать переходы электронов между уровнями примеси и зонами. Фотопроводимость, обусловленная такими переходами, называется примесной фотопроводимостью. Для реализации таких переходов нужна меньшая энергия кванта, чем для реализации переходов из валентной зоны в зону проводимости. Поэтому примесное поглощение имеет место при больших длинах волн падающего света.

в) экситонное поглощение.

При экситонном поглощении света имеет место создание связанной пары электрон-дырка, которая является электрически нейтральным образованием. Поэтому поглощение света, связанное с образованием экситонов, первоначально не ведет к возникновению свободных носителей заряда. Однако в реальных кристаллических структурах экситоны имеют значительно большую вероятность диссоциировать безызлучательно (с образованием электронов и дырок), чем рекомбинировать с испусканием кванта света. Таким образом, образование экситонов в конечном итоге ведет к возникновению свободных носителей заряда, а следовательно, и фототока. Экситонное поглощение, характеризующееся узкими полосами поглощения, определяет и узкие полосы фототока. При этом спектр фототока в области экситонного поглощения будет зависеть от состояния поверхности. Состояние поверхности полупроводника можно легко изменить путем воздействия на нее (механическое, химическое и т.д.). Таким образом можно изменить характер наблюдаемого спектра фототока, обусловленного экситонным поглощением.

г) поглощение свободными носителями заряда.

Поглощение света свободными носителями заряда сопровождается увеличением их энергии. При этом, в отличие от рассмотренных выше трех видов поглощения, число свободных носителей не изменяется. Но вместе с тем изменяется подвижность носителей заряда.

д) поглощение кристаллической решеткой.

В результате такого поглощения увеличивается амплитуда колебаний узлов решетки. В этом случае не изменяется ни концентрация носителей заряда, ни их подвижность. Поэтому поглощение света кристаллической решеткой не является фотоактивным.

Поглощение света свободными носителями заряда и кристаллической решеткой не могут непосредственно вызвать изменение концентрации носителей заряда. Однако возрастание концентрации носителей заряда в этих случаях может происходить в результате вторичных эффектов, когда поглощение света значительно увеличивает кинетическую энергию свободных носителей заряда или увеличивает концентрацию фононов, которые затем отдают свою энергию на возбуждение носителей заряда.

3.ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ ФОТОДИОДА

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

Обычно в качестве фотодиода используют полупроводниковые диоды с p-n переходом, который смещен в обратном направлении внешним источником питания.

При поглощении квантов света в p-n переходе или в прилегающих к нему областях образуются новые носители заряда. Неосновные носители заряда, возникшие в областях, прилегающих к p-n  переходу на расстоянии, не превышающей диффузионной длины, диффундируют в p-n переход и проходят через него под действием электрического поля. То есть обратный ток при освещении возрастает. Поглощение квантов непосредственно в p-n переходе приводит к аналогичным результатам. Величина, на которую возрастает обратный ток, называется фототоком.

Свойства фотодиода можно охарактеризовать следующими характеристиками.

а) вольт-амперная характеристика фотодиода представляет собой зависимость светового тока при неизменном световом потоке и темнового тока Iтемн  от напряжения.

б) световая характеристика фотодиода, то есть зависимость фототока от освещенности, соответствует прямой пропорциональности фототока от освещенности. 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.

г) спектральная характеристика фотодиода – это зависимость фототока от длины волны падающего света на фотодиод. Она определяется со стороны больших длин волн шириной запрещенной 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.

д) 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.

е) темновое сопротивление – сопротивление фотодиода в отсутствие освещения.

ж) интегральная чувствительность

K = Iф/,

где Iф – фототок,  – освещенность.

з) инерционность.

Существует 3 физических фактора, влияющих на инерционность: 1) время диффузии или дрейфа неравновесных носителей через базу t ; 2) время пролета через p-n переход ti ; 3) время перезарядки барьерной емкости p-n перехода, характеризующееся постоянной времени RСбар .

Время диффузии носителей заряда через базу можно определить (аналогично времени пролета носителей заряда через базу транзистора) для бездрейфового:

tпрол = ,

и дрейфового:

tпрол =

tg  50 нс.

Время пролета через p-n переход:

ti =  ,

где d - толщина p-n перехода, vmax – максимальная скорость дрейфа носителей заряда (vmaxдля кремния и германия равна 5*106 см/c).

Толщина p-n перехода, зависящая от обратного напряжения и концентрации примесей в базе, обычно меньше 5 мкм, а значит ti=0.1 нс. RCбар определяется барьерной емкостью p-n перехода, зависящей от напряжения и сопротивления базы фотодиода при малом сопротивлении нагрузки во внешней цепи. Величина RСбар порядка нескольких наносекунд.

4.ПРАКТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

Расчет КПД фотодиода.

КПД вычисляется по формуле:

 ,

где Pосв – мощность освещенности, I – сила тока , U – напряжение на фотодиоде.

Максимальная мощность фотодиода соответствует максимальной площади данного прямоугольника.

          Среднее значение: 1.5%.

Вывод: коэффициент полезного действия фотодиода согласно полученным данным составил в среднем 1.5%.

5.ПРИМЕНЕНИЕ ФОТОДИОДА В ОПТОЭЛЕКТРОНИКЕ

Фотодиод является составным элементом во многих сложных оптоэлектронных устройствах. И поэтому он находит широкое применение.  

а) 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. Почти идеальная гальваническая развязка управляющих цепей при сохранении между ними сильной функциональной связи.

б) многоэлементные фотоприемники.

Эти приборы (сканистор, мишень кремникона, 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. Сочетая в себе успехи физики дискретных фотоприемников и новейшие технологические достижения больших интегральных схем, многоэлементные фотоприемники вооружают оптоэлектронику твердотельным «глазом», способным реагировать не только на яркостно-временные, но и на пространственные характеристики объекта, то есть воспринимать его полный зрительный образ.

Для успешного выполнения этих функций необходимо, чтобы число элементарных фоточувствительных ячеек в приборе было 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).

Принцип восприятия образов этими системами сводится к следующему. 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. В конечном счете, 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.

в) оптроны.

Оптроном называется такой оптоэлектронный прибор, в котором имеются источник и приемник излучения с тем или иным видом оптической и электрической связи между ними, конструктивно объединенные и помещенные в один корпус.

В электронной схеме оптрон выполняет функцию элемента связи, в одном из звеньев которого информация передается оптически. Это основное назначение оптрона. Если между компонентами оптрона создать электрически обратную связь, то оптрон может стать активным прибором, пригодным для усиления и генерации электрических и оптических сигналов.

Принципиальное отличие оптронов как элементов связи заключается в использовании для переноса информации электрически нейтральных фотонов, что обуславливает ряд достоинств оптронов, которые присущи и всем остальным оптоэлектронным приборам в целом. Хотя у оптронов есть, разумеется, и свои недостатки.

Оптронная техника базируется на достижениях в области физики и технологии излучателей и фотоприемников.

6.ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Важная особенность фотодиодов – высокое быстродействие. Они могут работать на частотах до нескольких миллионов герц. Фотодиоды обычно изготовляют из германия или кремния.

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

В будущем крайне важно повышение рабочей температуры фотодиодов. Оценивая сегодняшнюю оптоэлектронику в целом, можно сказать, что она скорее «криогенная», чем «комнатная».

Будущее оптоэлектроники находится в прямой зависимости от прогресса фотодиодных структур. Оптическая электроника бурно развивается, разрабатываются новые типы фотоприемников, и наверняка уже скоро появятся фотодиоды на основе новых материалов с большей чувствительностью, повышенным быстродействием и с улучшенными характеристиками в целом.

7.ЛИТЕРАТУРА

1) Роках А. Г. Фотоэлектрические явления в полупроводниках и диэлектриках. - Саратов: Издательство Саратовского университета, 1984.

2) Названов В. Ф. Основы оптоэлектроники. – Саратов: Издательство Саратовского университета, 1980.

3) Носов Ю. Р. Оптоэлектроника. – М.: Советское радио, 1977.

4) Василевский А. М. и др. Оптическая электроника/ А. М. Василевский, М. А. Кропоткин, В. В. Тихонов. – Л.: Энергоатомиздат. Ленингр. Отд-ние, 1990.

5) Шалимова К. В. Физика полупроводников. – М.: Энергия, 1976.

6) Пасынков В.В. и др. Полупроводниковые приборы/ В.В. Пасынков, Л.К. Чиркин, А.Д. Шинков. – М.: Высшая школа, 1973.

www.referatmix.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, %

1

0,0464

0,24

1,1

3

0,1449

0,41

2

5

0,248

0,26

1,3

7

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

9

0,94…0,96

0,03

2

60

АЛ107Г

12

0,94…0,96

0,03

2

60

АЛ145Д

20

0,93…0,98

0,06

1,6

40

АЛ156В

12

0,82…0,9

0,04

1,8

35

АЛ161А

8

0,83…0,9

0,07

1,5

10

АЛ165Б

15

0,85…0,89

0,04

2

35

АЛ165В

400

0,85…0,9

нет данных

1,6

нет данных

АЛ170В

100

0,85…0,89

0,1

1,5

4

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.

superbotanik.net

Реферат : Фотодиод в оптоэлектронике

Министерство общего и профессионального образования

Российской Федерации

САРАТОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ им. Н.Г.ЧЕРНЫШЕВСКОГО

Кафедра физики

Полупроводников

ФОТОДИОД В

ОПТОЭЛЕКТРОНИКЕ

Курсовая работа

Студента 1 курса физического факультета

Машкова Дмитрия Александровича

Научный руководитель

профессор

________ Роках А.Г.

/подпись/

Зав. кафедрой

профессор, доктор

_________ Б.Н.Климов

/подпись/

Саратов – 1999г.

План работы

1. Введение и постановка задачи

2. Физические основы внутреннего фотоэффекта

3. Принцип действия фотодиода

4. Практическая часть (исследование характеристик фотодиода)

5. Применение фотодиода в оптоэлектронике

6. Заключение

7. Литература

1.ВВЕДЕНИЕ И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ

В наши дни прогресс в различных областях науки и техники немыслим без приборов оптической электроники. Оптическая электроника уже давно играет ведущую роль в жизни человека. А с каждым годом ее внедрение во все сферы человеческой деятельности становится все интенсивнее. И этому есть свои причины. Устройства оптоэлектроники имеют ряд отличий от других устройств. Можно выделить следующие их достоинства.

а) 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).

б) Острая направленность 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 электромагнитную энергию в заданную область пространства. В малогабаритных электронных устройствах лазерный луч может быть направлен на фоточувствительные площадки микронных размеров.

в) Возможность двойной – временной и пространственной модуляции светового луча. Минимальная элементарная площадка в плоскости, перпендикулярной направлению распространения, которая может быть выделена для независимой модуляции части луча близка к 2(108 см2). Это позволяет производить параллельную обработку информацию, что очень важно при создании высокопроизводительных комплексов.

г) Так как источник и приемник в оптоэлектронике не связаны друг с другом электрически, а связь между ними осуществляется только посредством светового луча (электрически нейтральных фотонов), 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 (отсюда и высокая помехозащищенность).

д) возможность непосредственного оперирования со зрительно воспринимаемыми образами: фотосчитывание, визуализация (например, на жидких кристаллах).

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

Фотодиоды обладают наилучшим сочетанием фотоэлектрических параметров, основных с точки зрения использования в оптоэлектронике: высокие значения чувствительности и быстродействия, малые значения паразитивных параметров (например, ток утечки). Простота их устройства позволяет достигнуть физического и конструкционного 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 оптоэлектронном 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.

Ну а целью моей работы является исследование характеристик фотодиода: вольт-амперной характеристики, коэффициента полезного действия.

2.ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ВНУТРЕННЕГО ФОТОЭФФЕКТА

Падающий на вещество поток света может испытывать отражение, поглощение или проходить насквозь.

Если поглощенный свет приводит к такому увеличению энергии электронов, что они покидают объем, занимаемый веществом, говорят о внешнем фотоэффекте. Если при освещении изменяется энергетическое состояние носителей заряда внутри твердого тела, то мы имеем дело с внутренним фотоэффектом. При этом добавочная проводимость, обусловленная носителями заряда, созданными излучением, называется фотопроводимостью.

При внутреннем фотоэффекте первичным актом является поглощение фотона. Поэтому процесс образования свободных носителей заряда под воздействием излучения будет проходить по-разному в зависимости от особенностей процесса поглощения света. К тому же поглощенный свет не всегда вызывает фотоэффект.

Существует несколько видов поглощения света.

а) собственное поглощение.

Этот вид поглощения имеет место в том случае, когда оптическое возбуждение электронов происходит из валентной зоны в зону проводимости. Для полупроводника с прямыми долинами при вертикальных переходах энергия фотона h должна быть не меньше ширины запрещенной зоны, то есть

h Eg.

Для сильно легированного полупроводника n-типа когда уровень Ферми расположен выше края зоны проводимости на величину n, нижняя граница фотопроводимости будет соответствовать

h = Eg + n .

В сильно легированном полупроводнике p-типа уровень Ферми лежит на величину p ниже края валентной зоны, поэтому

h = Eg + p.

При больших энергиях фотонов поглощение в фундаментальной области ведет к увеличению фотопроводимости за счет роста коэффициента поглощения . В случае собственного поглощения  достигает наибольшей величины – (106 см-1). Вместе с тем такое поглощение увеличивает концентрацию носителей заряда вблизи поверхности полупроводника или диэлектрика, которые имеют меньшее время жизни, чем носители заряда в объеме.

б) примесное поглощение.

Такое поглощение при наличии в запрещенной зоне полупроводника локальных уровней примеси может вызвать переходы электронов между уровнями примеси и зонами. Фотопроводимость, обусловленная такими переходами, называется примесной фотопроводимостью. Для реализации таких переходов нужна меньшая энергия кванта, чем для реализации переходов из валентной зоны в зону проводимости. Поэтому примесное поглощение имеет место при больших длинах волн падающего света.

в) экситонное поглощение.

При экситонном поглощении света имеет место создание связанной пары электрон-дырка, которая является электрически нейтральным образованием. Поэтому поглощение света, связанное с образованием экситонов, первоначально не ведет к возникновению свободных носителей заряда. Однако в реальных кристаллических структурах экситоны имеют значительно большую вероятность диссоциировать безызлучательно (с образованием электронов и дырок), чем рекомбинировать с испусканием кванта света. Таким образом, образование экситонов в конечном итоге ведет к возникновению свободных носителей заряда, а следовательно, и фототока. Экситонное поглощение, характеризующееся узкими полосами поглощения, определяет и узкие полосы фототока. При этом спектр фототока в области экситонного поглощения будет зависеть от состояния поверхности. Состояние поверхности полупроводника можно легко изменить путем воздействия на нее (механическое, химическое и т.д.). Таким образом можно изменить характер наблюдаемого спектра фототока, обусловленного экситонным поглощением.

г) поглощение свободными носителями заряда.

Поглощение света свободными носителями заряда сопровождается увеличением их энергии. При этом, в отличие от рассмотренных выше трех видов поглощения, число свободных носителей не изменяется. Но вместе с тем изменяется подвижность носителей заряда.

д) поглощение кристаллической решеткой.

В результате такого поглощения увеличивается амплитуда колебаний узлов решетки. В этом случае не изменяется ни концентрация носителей заряда, ни их подвижность. Поэтому поглощение света кристаллической решеткой не является фотоактивным.

Поглощение света свободными носителями заряда и кристаллической решеткой не могут непосредственно вызвать изменение концентрации носителей заряда. Однако возрастание концентрации носителей заряда в этих случаях может происходить в результате вторичных эффектов, когда поглощение света значительно увеличивает кинетическую энергию свободных носителей заряда или увеличивает концентрацию фононов, которые затем отдают свою энергию на возбуждение носителей заряда.

3.ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ ФОТОДИОДА

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

Обычно в качестве фотодиода используют полупроводниковые диоды с p-n переходом, который смещен в обратном направлении внешним источником питания.

При поглощении квантов света в p-n переходе или в прилегающих к нему областях образуются новые носители заряда. Неосновные носители заряда, возникшие в областях, прилегающих к p-n переходу на расстоянии, не превышающей диффузионной длины, диффундируют в p-n переход и проходят через него под действием электрического поля. То есть обратный ток при освещении возрастает. Поглощение квантов непосредственно в p-n переходе приводит к аналогичным результатам. Величина, на которую возрастает обратный ток, называется фототоком.

Свойства фотодиода можно охарактеризовать следующими характеристиками.

а) вольт-амперная характеристика фотодиода представляет собой зависимость светового тока при неизменном световом потоке и темнового тока Iтемн от напряжения.

б) световая характеристика фотодиода, то есть зависимость фототока от освещенности, соответствует прямой пропорциональности фототока от освещенности. 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.

г) спектральная характеристика фотодиода – это зависимость фототока от длины волны падающего света на фотодиод. Она определяется со стороны больших длин волн шириной запрещенной 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.

д) 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.

е) темновое сопротивление – сопротивление фотодиода в отсутствие освещения.

ж) интегральная чувствительность

K = Iф/,

где Iф – фототок, – освещенность.

з) инерционность.

Существует 3 физических фактора, влияющих на инерционность: 1) время диффузии или дрейфа неравновесных носителей через базу  ; 2) время пролета через p-n переход i ; 3) время перезарядки барьерной емкости p-n перехода, характеризующееся постоянной времени RСбар .

Время диффузии носителей заряда через базу можно определить (аналогично времени пролета носителей заряда через базу транзистора) для бездрейфового:

tпрол = ,

и дрейфового:

tпрол =

g 50 нс.

Время пролета через p-n переход:

i = ,

где  - толщина p-n перехода, vmax – максимальная скорость дрейфа носителей заряда (vmax для кремния и германия равна 5*106 см/c).

Толщина p-n перехода, зависящая от обратного напряжения и концентрации примесей в базе, обычно меньше 5 мкм, а значит i=0.1 нс. RCбар определяется барьерной емкостью p-n перехода, зависящей от напряжения и сопротивления базы фотодиода при малом сопротивлении нагрузки во внешней цепи. Величина RСбар порядка нескольких наносекунд.

4.ПРАКТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

Расчет КПД фотодиода.

КПД вычисляется по формуле:

,

где Pосв – мощность освещенности, I – сила тока , U – напряжение на фотодиоде.

Максимальная мощность фотодиода соответствует максимальной площади данного прямоугольника.

Среднее значение: 1.5%.

Вывод: коэффициент полезного действия фотодиода согласно полученным данным составил в среднем 1.5%.

5.ПРИМЕНЕНИЕ ФОТОДИОДА В ОПТОЭЛЕКТРОНИКЕ

Фотодиод является составным элементом во многих сложных оптоэлектронных устройствах. И поэтому он находит широкое применение.

а) 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. Почти идеальная гальваническая развязка управляющих цепей при сохранении между ними сильной функциональной связи.

б) многоэлементные фотоприемники.

Эти приборы (сканистор, мишень кремникона, 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. Сочетая в себе успехи физики дискретных фотоприемников и новейшие технологические достижения больших интегральных схем, многоэлементные фотоприемники вооружают оптоэлектронику твердотельным «глазом», способным реагировать не только на яркостно-временные, но и на пространственные характеристики объекта, то есть воспринимать его полный зрительный образ.

Для успешного выполнения этих функций необходимо, чтобы число элементарных фоточувствительных ячеек в приборе было 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).

Принцип восприятия образов этими системами сводится к следующему. 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. В конечном счете, 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.

в) оптроны.

Оптроном называется такой оптоэлектронный прибор, в котором имеются источник и приемник излучения с тем или иным видом оптической и электрической связи между ними, конструктивно объединенные и помещенные в один корпус.

В электронной схеме оптрон выполняет функцию элемента связи, в одном из звеньев которого информация передается оптически. Это основное назначение оптрона. Если между компонентами оптрона создать электрически обратную связь, то оптрон может стать активным прибором, пригодным для усиления и генерации электрических и оптических сигналов.

Принципиальное отличие оптронов как элементов связи заключается в использовании для переноса информации электрически нейтральных фотонов, что обуславливает ряд достоинств оптронов, которые присущи и всем остальным оптоэлектронным приборам в целом. Хотя у оптронов есть, разумеется, и свои недостатки.

Оптронная техника базируется на достижениях в области физики и технологии излучателей и фотоприемников.

6.ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Важная особенность фотодиодов – высокое быстродействие. Они могут работать на частотах до нескольких миллионов герц. Фотодиоды обычно изготовляют из германия или кремния.

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

В будущем крайне важно повышение рабочей температуры фотодиодов. Оценивая сегодняшнюю оптоэлектронику в целом, можно сказать, что она скорее «криогенная», чем «комнатная».

Будущее оптоэлектроники находится в прямой зависимости от прогресса фотодиодных структур. Оптическая электроника бурно развивается, разрабатываются новые типы фотоприемников, и наверняка уже скоро появятся фотодиоды на основе новых материалов с большей чувствительностью, повышенным быстродействием и с улучшенными характеристиками в целом.

7.ЛИТЕРАТУРА

1. Роках А. Г. Фотоэлектрические явления в полупроводниках и диэлектриках. - Саратов: Издательство Саратовского университета, 1984.

2. Названов В. Ф. Основы оптоэлектроники. – Саратов: Издательство Саратовского университета, 1980.

3. Носов Ю. Р. Оптоэлектроника. – М.: Советское радио, 1977.

4. Василевский А. М. и др. Оптическая электроника/ А. М. Василевский, М. А. Кропоткин, В. В. Тихонов. – Л.: Энергоатомиздат. Ленингр. Отд-ние, 1990.

5. Шалимова К. В. Физика полупроводников. – М.: Энергия, 1976.

6. Пасынков В.В. и др. Полупроводниковые приборы/ В.В. Пасынков, Л.К. Чиркин, А.Д. Шинков. – М.: Высшая школа, 1973.

topref.ru

Фотодиоды

Количество просмотров публикации Фотодиоды - 879

Фотодиодом принято называть полупроводниковый прибор с одним p-n переходом, вольтамперная характеристика которого зависит от воздействующего на него света.

Условное графическое обозначение, структура и внешний вид фотодиода представлены на рис. 17.6.

Рис. 17.6. Фотодиод:

а - условное графическое обозначение; б – структура; в – внешний вид

Простейший фотодиод представляет собой обычный полупроводниковый диод, в котором обеспечивается возможность воздействия оптического излучения на р-n переход. В равновесном состоянии, когда поток излучения полностью отсутствует, концентрация носителœей, распределœение потенциала и энергетическая зонная диаграмма фотодиода полностью соответствуют обычному p-n переходу (см. рис. 1.3).

При воздействии излучения в направлении, перпендикулярном плоскости p-n перехода, в результате поглощения фотонов с энергией, большей, чем ширина запрещенной зоны, в n области возникают электронно-дырочные пары. Эти электроны и дырки называют фотоносителями. При диффузии фотоносителœей вглубь n области основная доля электронов и дырок не успевает рекомбинировать и доходит до границы p-n перехода. Здесь фотоносители разделяются электрическим полем p-n перехода, причем дырки переходят в p область, а электроны не могут преодолеть поле перехода, и скапливаются у границы p-n перехода и n области. Τᴀᴋᴎᴍ ᴏϬᴩᴀᴈᴏᴍ, ток через p-n переход обусловлен дрейфом небазовых носителœей – дырок. Дрейфовый ток фотоносителœей принято называть фототоком.

Фотоносители – дырки заряжают p область положительно относительно n области, а фотоносители – электроны – n область отрицательно по отношению к p области. Возникающая разность потенциалов принято называть фото ЭДС Eф. Генерируемый ток в фотодиоде – обратный, он направлен от катода к аноду, причем его величина тем больше, чем больше освещенность.

Фотодиоды могут работать в одном из двух режимов – с внешним источником электрической энергии (режим преобразователя), либо без внешнего источника электрической энергии (режим генератора).

При работе фотодиода в режиме преобразователя на него подают обратное напряжение (рис. 17.7, а). Используются обратные ветви ВАХ фотодиода при различных уровнях освещенности Ф, Ф1, Ф2 (рис. 17.7, б).

Учитывая зависимость отуровня освещённости изменяется обратный ток фотодиода, и на резисторе нагрузки изменяется напряжение. В системах желœезнодорожной автоматики по такой схеме включён германиевый фотодатчик в приборах обнаружения нагретой буксы (германий чувствителœен к ИК лучам, а кремний – к видимому свету).

а)	б)

Рис. 17.7. Работа фотодиода в режиме фотопреобразователя:

а – схема включения; б – вольтамперные характеристики

Фотодиоды, работающие в режиме генератора, используют в качестве источников питания, преобразующих энергию солнечного излучения в электрическую. Οʜᴎ называются солнечными элементами и входят в состав солнечных батарей. Выходное напряжение солнечной батареи сильно зависит от уровня освещённости. Чтобы получить стабильное напряжение в нагрузке, солнечную батарею используют совместно с аккумулятором. Схема солнечно-аккумуляторной батареи представлена на рис. 17.8.

Рис. 17.8. Принципиальная схема солнечно-аккумуляторной батареи

При максимальной освещённости солнечная батарея питает нагрузку и заряжает аккумулятор. Размещено на реф.рфВ темноте нагрузка питается только от аккумулятора, а чтобы аккумулятор не разряжался на солнечную батарею, в схеме установлен диод VD1.

КПД кремниевых солнечных элементов составляет около 20 %. Важными техническими параметрами солнечных батарей являются отношения их выходной мощности к массе и площади, занимаемой солнечной батареей. Эти параметры достигают значений 200 Вт/кг и 1 кВт/м2 соответственно.

Более подробные сведения о фотодиодах приведены в литературе [4, 13].

Читайте также

referatwork.ru

Реферат: Фотодиод в оптоэлектронике

Министерство общего и профессионального образования

Российской Федерации

САРАТОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ им. Н.Г.ЧЕРНЫШЕВСКОГО

Кафедра физики

Полупроводников

ФОТОДИОД В

ОПТОЭЛЕКТРОНИКЕ

Курсовая работа

Студента 1 курса физического факультета

Машкова Дмитрия Александровича

Научный руководитель

профессор

________ Роках А.Г.

/подпись/

Зав. кафедрой

профессор, доктор

_________ Б.Н.Климов

/подпись/

Саратов – 1999г.

План работы

1. Введение и постановка задачи

2. Физические основы внутреннего фотоэффекта

3. Принцип действия фотодиода

4. Практическая часть (исследование характеристик фотодиода)

5. Применение фотодиода в оптоэлектронике

6. Заключение

7. Литература

1.ВВЕДЕНИЕ И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ

В наши дни прогресс в различных областях науки и техники немыслим без приборов оптической электроники. Оптическая электроника уже давно играет ведущую роль в жизни человека. А с каждым годом ее внедрение во все сферы человеческой деятельности становится все интенсивнее. И этому есть свои причины. Устройства оптоэлектроники имеют ряд отличий от других устройств. Можно выделить следующие их достоинства.

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

б) Острая направленность 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 электромагнитную энергию в заданную область пространства. В малогабаритных электронных устройствах лазерный луч может быть направлен на фоточувствительные площадки микронных размеров.

в) Возможность двойной – временной и пространственной модуляции светового луча. Минимальная элементарная площадка в плоскости, перпендикулярной направлению распространения, которая может быть выделена для независимой модуляции части луча близка к2(108см2). Это позволяет производить параллельную обработку информацию, что очень важно при создании высокопроизводительных комплексов.

г) Так как источник и приемник в оптоэлектронике не связаны друг с другом электрически, а связь между ними осуществляется только посредством светового луча (электрически нейтральных фотонов), 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 (отсюда и высокая помехозащищенность).

д) возможность непосредственного оперирования со зрительно воспринимаемыми образами: фотосчитывание, визуализация (например, на жидких кристаллах).

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

Фотодиоды обладают наилучшим сочетанием фотоэлектрических параметров, основных с точки зрения использования в оптоэлектронике: высокие значения чувствительности и быстродействия, малые значения паразитивных параметров (например, ток утечки). Простота их устройства позволяет достигнуть физического и конструкционного 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 оптоэлектронном 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.

Ну а целью моей работы является исследование характеристик фотодиода: вольт-амперной характеристики, коэффициента полезного действия.

2.ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ВНУТРЕННЕГО ФОТОЭФФЕКТА

Падающий на вещество поток света может испытывать отражение, поглощение или проходить насквозь.

Если поглощенный свет приводит к такому увеличению энергии электронов, что они покидают объем, занимаемый веществом, говорят о внешнем фотоэффекте. Если при освещении изменяется энергетическое состояние носителей заряда внутри твердого тела, то мы имеем дело с внутренним фотоэффектом. При этом добавочная проводимость, обусловленная носителями заряда, созданными излучением, называется фотопроводимостью.

При внутреннем фотоэффекте первичным актом является поглощение фотона. Поэтому процесс образования свободных носителей заряда под воздействием излучения будет проходить по-разному в зависимости от особенностей процесса поглощения света. К тому же поглощенный свет не всегда вызывает фотоэффект.

Существует несколько видов поглощения света.

а) собственное поглощение.

Этот вид поглощения имеет место в том случае, когда оптическое возбуждение электронов происходит из валентной зоны в зону проводимости. Для полупроводника с прямыми долинами при вертикальных переходах энергия фотона hдолжна быть не меньше ширины запрещенной зоны, то есть

hEg.

Для сильно легированного полупроводникаn-типа когда уровень Ферми расположен выше края зоны проводимости на величинуn, нижняя граница фотопроводимости будет соответствовать

h= Eg+n.

В сильно легированном полупроводникеp-типа уровень Ферми лежит на величинуpниже края валентной зоны, поэтому

h= Eg+p.

При больших энергиях фотонов поглощение в фундаментальной области ведет к увеличению фотопроводимости за счет роста коэффициента поглощения. В случае собственного поглощениядостигает наибольшей величины – (106см-1). Вместе с тем такое поглощение увеличивает концентрацию носителей заряда вблизи поверхности полупроводника или диэлектрика, которые имеют меньшее время жизни, чем носители заряда в объеме.

б) примесное поглощение.

Такое поглощение при наличии в запрещенной зоне полупроводника локальных уровней примеси может вызвать переходы электронов между уровнями примеси и зонами. Фотопроводимость, обусловленная такими переходами, называется примесной фотопроводимостью. Для реализации таких переходов нужна меньшая энергия кванта, чем для реализации переходов из валентной зоны в зону проводимости. Поэтому примесное поглощение имеет место при больших длинах волн падающего света.

в) экситонное поглощение.

При экситонном поглощении света имеет место создание связанной пары электрон-дырка, которая является электрически нейтральным образованием. Поэтому поглощение света, связанное с образованием экситонов, первоначально не ведет к возникновению свободных носителей заряда. Однако в реальных кристаллических структурах экситоны имеют значительно большую вероятность диссоциировать безызлучательно (с образованием электронов и дырок), чем рекомбинировать с испусканием кванта света. Таким образом, образование экситонов в конечном итоге ведет к возникновению свободных носителей заряда, а следовательно, и фототока. Экситонное поглощение, характеризующееся узкими полосами поглощения, определяет и узкие полосы фототока. При этом спектр фототока в области экситонного поглощения будет зависеть от состояния поверхности. Состояние поверхности полупроводника можно легко изменить путем воздействия на нее (механическое, химическое и т.д.). Таким образом можно изменить характер наблюдаемого спектра фототока, обусловленного экситонным поглощением.

г) поглощение свободными носителями заряда.

Поглощение света свободными носителями заряда сопровождается увеличением их энергии. При этом, в отличие от рассмотренных выше трех видов поглощения, число свободных носителей не изменяется. Но вместе с тем изменяется подвижность носителей заряда.

д) поглощение кристаллической решеткой.

В результате такого поглощения увеличивается амплитуда колебаний узлов решетки. В этом случае не изменяется ни концентрация носителей заряда, ни их подвижность. Поэтому поглощение света кристаллической решеткой не является фотоактивным.

Поглощение света свободными носителями заряда и кристаллической решеткой не могут непосредственно вызвать изменение концентрации носителей заряда. Однако возрастание концентрации носителей заряда в этих случаях может происходить в результате вторичных эффектов, когда поглощение света значительно увеличивает кинетическую энергию свободных носителей заряда или увеличивает концентрацию фононов, которые затем отдают свою энергию на возбуждение носителей заряда.

3.ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ ФОТОДИОДА

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

Обычно в качестве фотодиода используют полупроводниковые диоды сp-nпереходом, который смещен в обратном направлении внешним источником питания.

При поглощении квантов света вp-nпереходе или в прилегающих к нему областях образуются новые носители заряда. Неосновные носители заряда, возникшие в областях, прилегающих кp-nпереходу на расстоянии, не превышающей диффузионной длины, диффундируют вp-nпереход и проходят через него под действием электрического поля. То есть обратный ток при освещении возрастает. Поглощение квантов непосредственно вp-nпереходе приводит к аналогичным результатам. Величина, на которую возрастает обратный ток, называется фототоком.

Свойства фотодиода можно охарактеризовать следующими характеристиками.

а) вольт-амперная характеристикафотодиода представляет собой зависимость светового тока при неизменном световом потоке и темнового тока Iтемнот напряжения.

б) световая характеристикафотодиода, то есть зависимость фототока от освещенности, соответствует прямой пропорциональности фототока от освещенности. 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.

г) спектральная характеристика фотодиода– это зависимость фототока от длины волны падающего света на фотодиод. Она определяется со стороны больших длин волн шириной запрещенной 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.

д) 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.

е) темновое сопротивление– сопротивление фотодиода в отсутствие освещения.

ж) интегральная чувствительность

K = Iф/,

где Iф– фототок,– освещенность.

з) инерционность.

Существует 3 физических фактора, влияющих на инерционность: 1) время диффузии или дрейфа неравновесных носителей через базу; 2) время пролета черезp-nпереходi; 3) время перезарядки барьерной емкостиp-nперехода, характеризующееся постоянной времени RСбар.

Время диффузии носителей заряда через базу можно определить (аналогично времени пролета носителей заряда через базу транзистора) для бездрейфового:

tпрол=,

и дрейфового:

tпрол=

g50 нс.

Время пролета черезp-nпереход:

i=,

где- толщинаp-nперехода, vmax– максимальная скорость дрейфа носителей заряда (vmaxдля кремния и германия равна 5*106см/c).

Толщинаp-nперехода, зависящая от обратного напряжения и концентрации примесей в базе, обычно меньше 5 мкм, а значитi=0.1 нс. RCбаропределяется барьерной емкостьюp-nперехода, зависящей от напряжения и сопротивления базы фотодиода при малом сопротивлении нагрузки во внешней цепи. Величина RСбарпорядка нескольких наносекунд.

4.ПРАКТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

Расчет КПД фотодиода.

КПД вычисляется по формуле:

,

где Pосв– мощность освещенности, I – сила тока , U – напряжение на фотодиоде.

Максимальная мощность фотодиода соответствует максимальной площади данного прямоугольника.

Среднее значение: 1.5%.

Вывод: коэффициент полезного действия фотодиода согласно полученным данным составил в среднем 1.5%.

5.ПРИМЕНЕНИЕ ФОТОДИОДА В ОПТОЭЛЕКТРОНИКЕ

Фотодиод является составным элементом во многих сложных оптоэлектронных устройствах. И поэтому он находит широкое применение.

а) 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. Почти идеальная гальваническая развязка управляющих цепей при сохранении между ними сильной функциональной связи.

б) многоэлементные фотоприемники.

Эти приборы (сканистор, мишень кремникона, 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. Сочетая в себе успехи физики дискретных фотоприемников и новейшие технологические достижения больших интегральных схем, многоэлементные фотоприемники вооружают оптоэлектронику твердотельным «глазом», способным реагировать не только на яркостно-временные, но и на пространственные характеристики объекта, то есть воспринимать его полный зрительный образ.

Для успешного выполнения этих функций необходимо, чтобы число элементарных фоточувствительных ячеек в приборе было 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).

Принцип восприятия образов этими системами сводится к следующему. 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. В конечном счете, 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.

в) оптроны.

Оптроном называется такой оптоэлектронный прибор, в котором имеются источник и приемник излучения с тем или иным видом оптической и электрической связи между ними, конструктивно объединенные и помещенные в один корпус.

В электронной схеме оптрон выполняет функцию элемента связи, в одном из звеньев которого информация передается оптически. Это основное назначение оптрона. Если между компонентами оптрона создать электрически обратную связь, то оптрон может стать активным прибором, пригодным для усиления и генерации электрических и оптических сигналов.

Принципиальное отличие оптронов как элементов связи заключается в использовании для переноса информации электрически нейтральных фотонов, что обуславливает ряд достоинств оптронов, которые присущи и всем остальным оптоэлектронным приборам в целом. Хотя у оптронов есть, разумеется, и свои недостатки.

Оптронная техника базируется на достижениях в области физики и технологии излучателей и фотоприемников.

6.ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Важная особенность фотодиодов – высокое быстродействие. Они могут работать на частотах до нескольких миллионов герц. Фотодиоды обычно изготовляют из германия или кремния.

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

В будущем крайне важно повышение рабочей температуры фотодиодов. Оценивая сегодняшнюю оптоэлектронику в целом, можно сказать, что она скорее «криогенная», чем «комнатная».

Будущее оптоэлектроники находится в прямой зависимости от прогресса фотодиодных структур. Оптическая электроника бурно развивается, разрабатываются новые типы фотоприемников, и наверняка уже скоро появятся фотодиоды на основе новых материалов с большей чувствительностью, повышенным быстродействием и с улучшенными характеристиками в целом.

7.ЛИТЕРАТУРА

1. Роках А. Г. Фотоэлектрические явления в полупроводниках и диэлектриках. - Саратов: Издательство Саратовского университета, 1984.

2. Названов В. Ф. Основы оптоэлектроники. – Саратов: Издательство Саратовского университета, 1980.

3. Носов Ю. Р. Оптоэлектроника. – М.: Советское радио, 1977.

4. Василевский А. М. и др. Оптическая электроника/ А. М. Василевский, М. А. Кропоткин, В. В. Тихонов. – Л.: Энергоатомиздат. Ленингр. Отд-ние, 1990.

5. Шалимова К. В. Физика полупроводников. – М.: Энергия, 1976.

6. Пасынков В.В. и др. Полупроводниковые приборы/ В.В. Пасынков, Л.К. Чиркин, А.Д. Шинков. – М.: Высшая школа, 1973.

В папке "tables" находятся таблицы и графики, которыеотображают вольт-амперную характеристику фотодиода (незнаю какой марки) при мощности освещения светодиодом(тоже не знаю какой марки) 1, 3, 5 и 7 милливатт, а так-же вольт-амперная характеристика (ВАХ) фотодиода безосвещения (т.е. когда ток - темновой). Причем, ВАХ данадля работы фотодиода как в прямом (график - справа), таки в обратном (график - слева) напрвлении.Но они в не очень хорощо оформленном виде,т.к. они бы-ли мне нужны для защиты этой работы и не было времени их"довести до ума".Пусть Вас не смущает ВАХ при мощности освещения5 млВт для обратного напрвления. График построен всегопо двум значениям и лишь только поэтому представляетсобой прямую. Дело в том, что после того, ка я получил2 значения для I и 2 - для U, дальнейшее изменениесилы тока не приводило к изменению напряжения и токбыстро стал насыщенным.(да, кстати, не знаю почему наэтом графике две прямых).Эти таблицы мне не удалось поместить в файл"fotodiod" (вернее таблицы-то удалось, неудалось -графики) и поэтому они даны отдельно (я не достаточнохорошо знаю Excel и надеюсь, что у Вас получится).Всвязи с этим работа построена так, что ее можнораспечатать и без них, а потом распечатать таблицы ивставить эти листы в 4 пункт работы сразу после тогоместа, где заканчивается расчет КПД. А следующий пунктработы начнется с нового листа и не останется пустыхмест (я так сделал).

Да, а защитился я конечно же на "отл", чего и Вамжелаю. Надеюсь, что моя работа будет Вам хоть чем-тополезна.

Удачи на экзаменах.

Автор.

superbotanik.net

Смотрите также

• 
  Реферат шос
• 
  Реферат боттичелли
• 
  Токсикодермия реферат
• 
  Реферат озонотерапия
• 
  Тэффи реферат
• 
  Реферат тэффи
• 
  Реферат вакуум
• 
  Реферат рассольники
• 
  Реферат нумерология
• 
  Рассольники реферат
• 
  Нумерология реферат