Фотодиоды: принцип работы

Основные параметры

Свойства фотодиодов определяют следующие характеристики:

  • Вольтамперная. Определяет изменение величины светового тока в соответствии с меняющимся напряжением при стабильных потоке света и темновом токе
  • Спектральная. Характеризует влияние длины световой волны на фототок
  • Постоянная времени – это период, в ходе которого ток реагирует на увеличение затемнения или освещенности на 63% от установленного значения
  • Порог чувствительности – минимальный световой поток, на который реагирует диод
  • Темновое сопротивление – показатель, характерный для полупроводника при отсутствии света
  • Инерционность

Усилители для фотодиодов малой площади

Фотодиоды малой площади имеют очень низкую емкость, типичное значение которой не превышает 10 пФ, а в некоторых случаях даже бывает меньше 1 пФ. Низкая емкость делает их более адекватными источниками тока на повышенных частотах, чем фотодиоды большой площади. Одной из проблем проектирования усилителей фотодиодов малой площади является обеспечение низкой входной емкости, чтобы шумы напряжения были минимальными, и преобладали токовые шумы.

Рисунок 1. Трансимпедансный усилитель для фотодиода
с малой площадью кристалла.

На Рисунке 1 изображена простая схема усилителя для фотодиода малой площади, в которой используется микросхема LTC6244. Входная емкость усилителя состоит и дифференциальной и синфазной составляющих, сумма которых равна приблизительно 6 пФ. Емкость небольшого фотодиода равна 1.8 пФ, так что в схеме доминирует входная емкость усилителя. Маленький конденсатор обратной связи является реальным компонентом (серия Accu-F компании AVX), однако из-за параллельной емкости выводов ОУ реальная общая емкость обратной связи, вероятно, составляет около 0.4 пФ

Это важно, поскольку емкость конденсатора обратной связи обеспечивает устойчивость схемы и определяет ее полосу пропускания. Конкретная конструкция, показанная на схеме, имеет полосу пропускания 350 кГц при уровне выходного шума 120 мкВ с.к.з., измеренном в этой полосе частот

Резюме

Кремниевые фотодиоды обеспечивают удобное и эффективное измерение освещенности в видимой области спектра. Стандартными материалами для детектирования инфракрасного излучения являются антимонид индия (InSb), арсенид индия-галлия (InGaAs), германий (Ge) и теллурид кадмия-ртути (HgCdTe). Для ультрафиолетовых приложений можно использовать кремний, а также стоит рассмотреть карбид кремния, если вам нужна надежная работа при высоких температурах, или если ваш детектор должен игнорировать видимый и инфракрасный свет.

Следующая статья в серии «Введение в фотодиоды»: эквивалентная схема фотодиода.

Проверка фотодиода мультиметром

Рассмотрим, как проверить мультиметром фотодетекторы. Тестером замеряют значения сопротивления (обратного и прямого) в процессе освещения/затемнения диода. Мультиметр (или омметр) переводят на отметку 200 кОм.

Иногда встречается характерный дефект — хаотическое изменение тока («ползучесть»). Для обнаружения неполадки собирают простую схему (смотреть рисунок ниже) и замеряют величину обратного тока на протяжении нескольких минут. Если ток неизменный, то деталь рабочая. Проверять можно запчасть на плате, но возможны погрешности, поэтому всегда рекомендована выпайка.

payaem.ru

Задачей фотореле является управление освещением, зачастую, это схема с фоточувствительным элементом, которая управляет включением освещения в темное время суток. Радиолюбителями разработано множество различных схем фотореле, представим вашему вниманию простые и надежные схемы на различных фоточувствительных элементах: фоторезисторах, фотодиодах, фототранзисторах.

Первая схема фотореле на фотодиоде и вполне подойдет для начинающих, так как проста в изготовлении и не содержит редких элементов. В качестве нагрузки после ключа использован светодиод, разумеется вместо него можно применять и другую логическую схему или реле. В данной схеме фотодиод включен через стабилизатор тока, схема в таком включении дает существенную разницу при освещении и затемнении светочувствительного элемента и поэтому не требует дополнительного усилителя. При резком изменении освещения напряжениние на фотодиоде меняется от 0 до уровня напряжения питания схемы. Эту схему вы можете без труда собрать и отрегулировать за пару часов на макетной плате. Фотодиод можно использовать почти любой марки.

Детали:

В данной схеме был применен ФД 256, но схема работает и с фототранзисторами. VD1 и VD2 можно ставить любые кремниевые диоды. Транзисторы также можно любые маломощные. Как я уже говорил первый транзистор работает как стабилизатор тока и чем больше будет R2, тем больше чувствительность схемы, но не перестарайтесь с настройкой. Каскад на втором транзисторе — эмиттерный повторитель , третий транзистор — обычный ключ.

Предлагаем Еще одну несложную схему с минимальным количеством деталей, и высокой чувствительностью. Такая чувствительность достигается за счет включения транзисторов VT1 и VT2 как составного. В таком включении общий коэффициент усиления будет равен произведению коэффициентов составляющих транзисторов. Также за счет этого включения достигается высокое входное сопротивление, что позволяет использовать фоторезистор и другие высокоомные источники сигнала.

Принцип работы:

Схема работает очень просто- с увеличением освещенности сопротивление фоторезистора уменьшается до нескольких килоом (в темноте — несколько мегаом) это приводит к открыванию транзистора VT1. Коллекторный ток VT1 откроет транзистор VT2, который в свою очередь включит реле и оно своими контактами включит нагрузку.Чтобы в момент включения реле не возникала самоиндукция и маломощный сигнал фоторезистора преобразовался в достаточный для включения обмотки сигнал включен VD1.

Детали:

Для регулировки чувствительности этой схемы, которая иногда может быть избыточной можно поставить в схему переменный резистор, который показан на схеме пунктиром.Питание схемы зависит от рабочего напряжения реле и может быть в пределах 5-15в.При питании 6 вольт можно исплользовать РЭС 9, при 12 вольтах РЭС 15,РЭС 49. Ток обмотки при использовании указанных транзисторов не должен превышать 50 мА. если поставить вместо VT2, более мощный типа КТ 815, выходной то может быть большим и возможно использование более мощных реле. следует учитывать что при повышении питания увеличивается чувствительность фотореле.

Еще одна схема собрана на операционном усилителе и также не содержит большого количества деталей.ОУ в данной схеме включен как компаратор (сравнивающее устройство), а фотодиод включен в фотодиодном режиме, питание на него подано так, что он смещен в обратном направлении.

Из за такого включения при снижении освещенности возрастает сопротивление светодиода, и это приводит к к тому, что уменьшается падение напряжения на резисторе R1, и соответственно падает на инвертирующем входе компаратора. На неинвертирующем входе напряжение устанавливается с помощью R2, и является пороговым, то есть задает порог срабатывания. При уменьшении напряжения на инвертирующем входе ниже порогового на выходе компаратора появится уровень напряжения который откроет Т1 и включит реле.

Детали:

Транзистор можно использовать любой маломощный NPN типа КТ 315, 3102. ОУ в качестве компаратора типа К140УД6 — УД7, или подобные. Для питания схемы следует использовать выпрямитель с напряжением 9-12 вольт, реле выбирать с соответствующим напряжением срабатывания обмотки.

Настройка:

Наладка устройства заключается в установке порогового напряжения, его следует настроить таким образом, чтобы уже при наступлении сумерек происходило включение. Для настройки порога срабатывания можно использовать регулируемую лампу накаливания в затемненной комнате.Чтобы избавиться от возможного дребезга реле при срабатывании нужно параллельно катушке присоединить конденсатор на несколько сотен микрофарад.

Кремниевый фотодиод

Кремний определенно не является экзотическим полупроводниковым материалом, но из него можно сделать прекрасный фотодиод. Кремниевые фотодиоды – отличный выбор для многих приложений, работающих в видимом свете.

Основное ограничение, о котором следует помнить при работе с кремнием: он чувствителен, в первую очередь, к длинам волн видимого света. Во многих системах, таких как диммер, который реагирует на уровни окружающего освещения, это именно то, что вам нужно

Кремниевый фотодиод с расширенным диапазоном в сторону инфракрасной области даст вам большую чувствительность к длинам волн в ближней инфракрасной области, если это важно для вашего приложения

Рисунок 1 – Этот график из руководства по кремниевым фотодиодам компании Hamamatsu показывает спектральный отклик для различных кремниевых фотодетекторов (QE означает квантовую эффективность)

Кремниевые фотодиоды – отличные детекторы света общего назначения. Они надежны и широко доступны, их электрический отклик на освещенность очень линеен, они обладают хорошими характеристиками темнового тока и пропускной способности. Фактически, фотодиоды с наименьшим темновым током и высокоскоростные фотодиоды, продаваемые Thorlabs, являются кремниевыми устройствами.

Конструкция p-i-n-фотодиодов

Конструкция p-i-n-фотодиодов подобна использовавшейся для светодиодов и лазеров, но оптические требования менее критичны. Активная область детекторов обычно гораздо больше, чем сердечник волокна, поэтому поперечное выравнивание не создает проблем. У фотопроводящих материалов падающий свет приводит к увеличению числа заряженных частиц в активной области, что уменьшает сопротивление детектора. Изменение сопротивления влечет к изменению регистрируемого напряжения, поэтому фоточувствительность принято выражать в единицах В / Вт.

Обратите внимание, что данная схема не предназначается для практических целей, так как в ней присутствует низкочастотный шум. Механизм обнаружения основан на проводимости тонкой пленки активной области

Выходной сигнал детектора без падающего света определяется следующим уравнением. В случае, когда свет попадает на активную область, изменение выходного напряжения определяется таким соотношением:

Частотный отклик

Для получения сигналов переменного тока фотопреобразователи должны подключаться в цепь, где присутствует импульсный сигнал. То есть при использовании этих детекторов в схемах с CW-источниками следует подключать оптический прерыватель. Сигнал фотокондуктора будет оставаться постоянным до предельного времени отклика. Многие детекторы, включая устройства на PbS, PbSe, HgCdTe (MCT) и InAsSb, имеют спектр шума 1 / f (т. е. шум уменьшается с увеличением частоты модуляции), что существенно влияет на время отклика на более низких частотах. Детектор будет проявлять меньшую чувствительность на более низких частотах модуляции.

Фотодиоды.

Основные характеристики и параметры фототранзисторов

Вольт-амперные характеристики фототранзисторов аналогичны выходным характеристикам биполярного транзистора, включенного по схеме с ОЭ, где параметром является не ток базы, а световой поток или фототок при /б = const (см. рис. 5.15, в). Энергетические и спектральные характеристики такие же, как у фотодиода.

Основные параметры фототранзистора следующие:

  • 1. Рабочее напряжение (10. 15 В).
  • 2. Темновой ток (до сотен микроампер).
  • 3. Рабочий ток (до десятков миллиампер).
  • 4. Максимально допустимая мощность рассеяния (до десятков милливатт).
  • 5. Статический коэффициент усиления по фототоку К = 1 + Л21Э. Измеряется как отношение фототока коллектора транзистора с плавающей базой к фототоку коллекторного перехода при отключенном эмиттере и постоянном световом потоке (составляет порядка 100. 600).
  • 6. Интегральная чувствительность — отношение фототока к падающему световому потоку; составляет 0,2. 2 А/лм и выше

б (h21э + 1) раз по сравнению с чувствительностью эквивалентного диода.

7. Граничная частота — частота, при которой интегральная чувствительность уменьшается в V2 раз по сравнению со своим статическим значением (10 4 . 10 5 Гц). Большую граничную частоту имеют полевые фототранзисторы (10 7 . 10 8 Гц).

Недостатками фототранзисторов являются меньшая граничная частота по сравнению с фотодиодами, что ограничивает их применение в волоконно-оптических системах, а также сравнительно высокий уровень собственных шумов и сильная зависимость темнового тока от температуры.

Схемы подключения фотореле для уличного освещения

Главная функция фотореле – это подача электропитания с наступлением темноты и его отключение с рассветом. Таким образом, это автоматический выключатель, который действует без вмешательства человека. Роль кнопки отключения играет светочувствительный элемент. Схема подключения фотореле аналогична: на прибор идет подача фазы, прерывается на выходах, а при необходимости цепь замыкается, вследствие чего напряжение подается на лампы или прожекторы.

Для обеспечения работы фотореле тоже требуется электропитание, поэтому на определенные контакты подсоединяют ноль. Так как освещение предполагается в открытой местности, есть необходимость подключения заземления.

Важно правильно соединить проводники, выходящие из корпуса самого регулятора с лампой и сетью

К сожалению, нет универсальной схемы подключения, которая подошла бы ко всем типам фотореле, но определенные моменты характерны для всех операций. Их необходимо учитывать, особенно в случае установки фотореле своими руками.

Практически во всех моделях реле на выходе имеет три разноцветных провода, которые соответствуют таким обозначениям:

  • черный – фаза;
  • зеленый – ноль;
  • красный – фаза, коммутирующая на источник света.

Для обеспечения дополнительных функций можно приобрести фотореле с датчиками движения или таймерами

Пошаговая инструкция подключения фотореле для уличного освещения

Приведенная ниже инструкция подскажет, как поэтапно, быстро и правильно подключить фотореле:

  1. Предварительная установка распределительного щитка. Обычно его монтируют на стене, в нем осуществляют соединение проводников.
  2. Подключение фотореле согласно схеме, которая находится в техдокументации, прилагаемой к самому устройству. Обычно в качестве крепежа используют кронштейн. Его устанавливают в месте, где на реле будут попадать прямые лучи солнца, но при этом изолированы другие источники света.
  3. Корректировка системы с использованием регулятора, то есть выбор параметров реагирования прибора на конкретные условия изменения освещенности.
  4. Установка регулятора производится на внешней части устройства с соответствующими техническими характеристиками: диапазон чувствительности – 5-10 лм; мощность – 1-3 кВт, порог допустимого тока – 10А.

Если прибор монтируют в середине электрощитка со сложной конструкцией, куда не проникают солнечные лучи, то реле и выключатель устанавливают отдельно друг от друга. Соединяют части устройства между собой специальными кабелями.

Подключается фотореле согласно схеме, которая находится в техдокументации, прилагаемой к самому устройству

При установке уличного освещения рекомендуется соблюдать такие правила:

  1. Прибор с внешним фотоэлементом лучше размещать таким образом, чтобы исключить прямое попадание света от устанавливаемого светильника. В ином случае устройство будет работать с ошибками.
  2. Чтобы проверить, правильно подключена схема или нет, необходимо подсоединить пускатель к электросети. Результат будет ясен при срабатывании светильника.

Нюансы в схемах подключения датчика света

Тот факт, что фотореле подбирается с учетом предполагаемой нагрузки, может отразиться на стоимости изделия: в зависимости от мощности возрастает цена. Поэтому с целью экономии средств можно обеспечить подачу питания не через фотодатчик, а посредством магнитного пускателя. Это специальный прибор, предназначенный для частого срабатывания режимов вкл./выкл. Использование пускового механизма позволяет подключить питание, применив фоточувствительный элемент с минимальной нагрузкой.

Таким образом, фактически происходит включение исключительно магнитного пускателя, поэтому во внимание берется только мощность, потребляемая им. А вот уже на выводах магнитного пускателя допускается использование более мощной нагрузки

С целью экономии средств можно обеспечить подачу питания не через фотодатчик, а посредством магнитного пускателя

В том случае, когда, помимо датчика день/ночь, необходимо подсоединить устройства с дополнительными функциями, например, таймер либо датчик движения, то их устанавливают после монтажа фотореле. При этом порядок очередности дополнительных приборов неважен.

Если функция таймера или датчика движения предусмотрена в строении устройства, но она не нужна в конкретном случае, то эти приборы просто исключают из общей схемы, то есть к ним не подводят провода. При этом в случае надобности эти элементы устройства можно будет подключить.

5.5. Шумы фотодиодов. Эквивалентная шумовая схема фотодиода

Шумы фотодиодов подразделяются на шумы фототока и шумы темнового тока.

Шумы темнового тока обусловлены шумом движения свободных носителей, шумом тепловой генерации пар носителей зарядов, шумом рекомбинации пар, шумом движения пар, шумом исчезновения свободных носителей, температурными изменениями.

Шум фототока (дробовый шум) обусловлен квантовыми процессами случайного возникновения пар носителей зарядов, шумом фоновой засветки, шумом отражения и поглощения в окне, шумом генерации и рекомбинации пар и т. д.

Шум фототока оценивается дисперсией среднего значения

(5.12),

где F(G) – шум-фактор ЛФД, D f – полоса частот сигнала и полоса пропускания ЛФД.

Фоновый шум, возникающий при случайной засветке фотодиода, оценивается аналогично (4.12):

(5.13),

где – ток фоновой засветки.

Тепловой шум вызывается случайным тепловым движением электронов в нагрузке фотодетектора

(5.14)

где K – постоянная Больцмана, Т – температура в градусах по Кельвину, D f – полоса частот сигнала.

Шум темнового тока обусловлен дисперсией темнового тока

(5.15).

Результирующее действие шумов определяется при объединении всех источников шумовых токов в виде эквивалентной схемы (рисунок 5.9).

(5.16)

При завершении раздела необходимо отметить, что к шумам приемника должны в расчетах добавляться шумы оптического передатчика.

Рисунок 5.14. Шумовая схема фотодиода

Контрольные вопросы

  1. Какой прибор называется фотодетектором?
  2. Какие требования предъявляются к фотоприемникам систем связи?
  3. Что такое фотодиод?
  4. Как устроен p-i-n фотодиод?
  5. Какое назначение имеет просветляющий слой фотодиода?
  6. Какие характеристики имеет фотодиод?
  7. Какие преимущества имеет ЛФД перед p-i-n?
  8. Каким образом может быть повышено быстродействие фотодиода?
  9. Чем определяется коэффициент умножения ЛФД?
  10. Что представляет собой характеристика линейности детектирования ЛФД?
  11. Почему ЛФД нуждается в регулируемом источнике Есм?
  12. Какие шумы могут возникать в ЛФД?
  13. Какие элементы составляют шумовую схему фотодиода?
  14. Какие преимущества имеют фотодетекторы конструкции TAP?
  15. Что особенного в конструкции приборов TAP?

Внешний поиск по URL[править код]

Можно также создавать ссылки, которые используют возможности данного расширения, но без самого поля на странице.

Например, http://ru.community.wikia.com/index.php?title=Тестовая_страница&preload=Справка:Inputbox&action=edit откроет новую страницу «Тестовая страница» и загрузит в неё содержимое страницы Справка:Inputbox.

Можно открывать страницы с настраиваемым сообщением вверху страницы. Например:
http://ru.community.wikia.com/index.php?title=Тестовая_страница&editintro=Шаблон:Политика&action=edit загрузит пустую страницу с шаблоном Шаблон:Политика сверху окна редактирования.

Можно сочетать эти два параметра и открыть новую страницу с сообщением Шаблон:Политика вверху и содержимым Справка:Inputbox в загруженном окне: http://ru.community.wikia.com/index.php?title=Тестовая_страница&preload=Справка:Inputbox&action=edit&editintro=Шаблон:Политика

  1. Википедия Фотодиод адрес
  2. Викисловарь — адрес
  3. Викицитатник — адрес
  4. Викиучебник — адрес
  5. Викитека — адрес
  6. Викиновости — адрес
  7. Викиверситет — адрес
  8. Викигид — адрес

Выделить Фотодиод и найти в:

  1. Вокруг света адрес
  2. Академик адрес
  3. Астронет адрес
  4. Элементы адрес
  5. Научная Россия адрес
  6. Кругосвет адрес
  7. Научная Сеть
  8. Традиция — адрес
  9. Циклопедия — адрес
  10. Викизнание — адрес
  1. Bing
  2. Yahoo
  3. Яндекс
  4. Mail.ru
  5. Рамблер
  6. Нигма.РФ
  7. Спутник
  8. Google Scholar
  9. Апорт
  10. Архив Интернета
  11. Научно-популярные фильмы на Яндексе
  12. Документальные фильмы
  1. Список ru-вики
  2. Вики-сайты на русском языке
  3. Список крупных русскоязычных википроектов
  4. Каталог wiki-сайтов
  5. Русскоязычные wiki-проекты
  6. Викизнание:Каталог wiki-сайтов
  7. Научно-популярные сайты в Интернете
  8. Лучшие научные сайты на нашем портале
  9. Лучшие научно-популярные сайты
  10. Каталог научно-познавательных сайтов
  11. НАУКА В РУНЕТЕ: каталог научных и научно-популярных сайтов
  • Страница — краткая статья
  • Страница — энциклопедическая статья
  • Разное — на страницах: , , ,

Оглавление

  • Главная
  • Электронные документы
  • Структура рабочей программы по части ВОСП очного/заочного отделения
  • Самостоятельная работа
  • Библиография
  • ВВЕДЕНИЕ
  • ГЛАВА 1. ОСНОВЫ ПОСТРОЕНИЯ ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИХ СИСТЕМ ПЕРЕДАЧИ
  • 1.1 Принцип построения ВОСП. Активные компоненты ВОСП
  • 1.2 Источники оптического излучения
  • 1.2.1. Светоизлучающие диоды, СИД
  • 1.2.2 Лазеры. Конструкции, принцип действия, основные
  • Лабораторная работа №7
  • Лабораторная работа № 9
  • Тест»Источники оптического излучения»
  • 1.2.3 Передающие оптические модули
  • 1.3 Модуляция и демодуляция оптической несущей
  • 1.4 Фотоприемники оптических систем передачи
  • 1.4.1 Фотодетекторы. Виды ФД. Требования к фотодетекторам
  • 1.4.2 Фотодиоды конструкции p-i-n
  • 1.4.3 Конструкция, принцип действия ЛФД (APD)
  • Лабораторная работа № 8
  • Тест » Фотоприемники»
  • 1.4.4 Приемные оптические модули
  • 1.5 Пассивные компоненты ВОСП
  • Практическая работа № 3
  • Тест» Пассивные компоненты»
  • 1.6 Линейны коды ВОСП
  • 1.6.1 Особенности построения линейных кодов ВОСП.
  • 1.6.2 Требования к линейным кодам ВОСП.
  • 1.6.3 Классификация линейных кодов ВОСП.
  • Практическая работа № 4
  • ГЛАВА 2.ОБОРУДОВАНИЕ ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИХ СИСТЕМ ПЕРЕДАЧ
  • 2.1 Оборудование линейного тракта системы ИКМ-120-4/5
  • 2.2. Оборудование XDM производства компании ECI Telecom
  • 2.2.1 Характеристика выбранного оборудования
  • 2.2.2 Характеристика полки XDM-500 и входящих в нее плат.
  • 2.3 Выбор оптического интерфейса. Сменные модули XDM-500
  • ГЛАВА 3. ТЕХНОЛОГИЯ ОПТИЧЕСКОГО МУЛЬТИПЛЕКСИРОВАНИЯ WDM
  • 3.1. Эволюция ВОСП.
  • 3.2 Многоволновое уплотнение оптических несущих (WDM).Классификация WDM систем
  • 3.3. Канально-частотный план. Преимущества и недостатки систем передачи WDM
  • 4. ОБОРУДОВАНИЕ ВОСП DWDM.
  • 4.1. Назначение, область применения. Компоненты систем передачи DWDM
  • 4.2 Компоненты системы DWDM
  • 4.3. Многоволновые оптические интерфейсы.
  • 5. МОНТАЖ, ЭКСПЛУАТАЦИЯ И ОБСЛУЖИВАНИЕ СИСТЕМ.
  • 5.1. Тестируемые компоненты WDM. Оптические источники и приемники тестирования
  • 5.1.1Оптические источники для тестирования
  • 5.1.2 Приемники для тестирования
  • 5.2.Основные контролируемые параметры компонентов системWDM, их тестирование
  • 5.3 Инсталляция систем WDM.
  • 5.3.1 Тесты на сетевую совместимость
  • 5.3.2 Тесты при пуско-наладочных работах и вводе в эксплуатацию
  • 5.3.3 Тесты при техническом обслуживании и мониторинге
  • 5.3.4 Тесты на совместимость с оборудованием других производителей
  • 5.3.5 Тесты на целостность внутренних соединений сети
  • 5.4 Ввод систем WDM в эксплуатацию
  • 5.4.1 Передатчики
  • 5.4.2 Приемники
  • 5.4.3 Оптические усилители
  • 5.4.4 Мультиплексоры и демультиплексоры
  • 5.4.5 Тестирование системы в целом
  • 5.4.6 Обработка сообщений о неисправностях
  • 5.5 Техническое обслуживание систем WDM.
  • 5.6 Мониторинг системы WDM
  • Тест » Технология оптического мультиплексирования WDM»

Структура сумеречного выключателя

Ключевым компонентом светового реле является фотодетектор, в электросхемах могут использоваться транзисторы, диоды, фотосопротивление (фоторезистор), фотоэлементы. При перемене величины светового потока, падающего на фотоэлектрический элемент, меняются его характеристики, такие как электросопротивление резистора, перемена состояния электронно-дырочного перехода в полупроводниковых триодах и диодах, а также перемена напряжения на контактах фотоэлемента.

Затем сигнал обнаруживается усилителем и устройством сравнения (компаратором – в его роли можно задействовать операционный усилитель типа К140УД6, К140УД7 либо аналогичные) и осуществляется переключение двухтактного эмиттерного повторителя, переключая или отключая нагрузку.

Необходимо знать, что фотореле с тиристорным выходом не может функционировать с энергосберегающими лампочками, не предназначенными для этого, и монтируются в регулятор мощности лучистой энергии лампы

Этот аспект нужно принимать во внимание, чтобы не остаться со ставшими неработоспособными световым реле и лампочкой. Теперь разберем пару схем для сборки светового реле в домашних условиях своими силами

Применение фотодиодов в оптоэлектронике[править]

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

В оптоэлектронных интегральных микросхемах 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.

Многоэлементные фотоприемники — это приборы сканистор, мишень кремникона, фотодиодная матрица с управлением на МОП-транзисторе, фоточувствительные приборы с зарядовой связью и другие. Они 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 (ток, заряд, напряжение) пропорционален 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.

Фотодиоды активно используются в оптронах, оптоэлектронныых приборах, в которых 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 одно 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.

В повседневной жизни фотодиоды используются в таких приборах, как устройства чтения компакт-дисков, пультах дистанцианного управления, фотокамерах, различных сенсорных устройствах, использующих данную технологию. Одно из важных применений — в медицинских приборах, в частности — в устройствах для проведения компьютерной томографии.

Режимы работы

Фотодиоды разделяют по режиму функционирования.

Режим фотогенератора

Осуществляется без источника электропитания. Фотогенераторы, являющиеся комплектующими солнечных батарей, иначе называют «солнечными элементами». Их функция – преобразовывать солнечную энергию в электрическую. Наиболее распространены фотогенераторы, созданные на базе кремния – дешевого, распространенного, хорошо изученного. Обладают невысокой стоимостью, но их КПД достигает всего 20%. Более прогрессивными являются пленочные элементы.

Режим фотопреобразования

Источник электропитания в схему подключается с обратной полярностью, фотодиод в данном случае служит датчиком освещенности.

Классификация

Основная статья: pin-диод

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 ≈ 0,1 В p-i-n-фотодиод имеет преимущество в быстродействии.

Достоинства:
1) есть возможность обеспечения чувствительности в длинноволновой части спектра за счет изменения ширины i-области.
2) высокая чувствительность и быстродействие
3) малое рабочее напряжение Uраб
Недостатки:
сложность получения высокой чистоты i-области
  • Фотодиод Шоттки (фотодиод с барьером Шоттки)
    Структура металл-полупроводник. При образовании структуры часть электронов перейдет из металла в полупроводник p-типа.
  • Лавинный фотодиод

Основная статья: Лавинный фотодиод

  • В структуре используется лавинный пробой. Он возникает тогда, когда энергия фотоносителей превышает энергию образования электронно-дырочных пар. Очень чувствительны. Для оценки существует коэффициент лавинного умножения:
    M=IΦIΦ{\displaystyle M={\frac {I_{\Phi }}{I_{\Phi _{0}}}}}
    M=11−(UUpr)m{\displaystyle M={\frac {1}{1-\left({\frac {U}{U_{pr}}}\right)^{m}}}}
    Для реализации лавинного умножения необходимо выполнить два условия:
    1) Электрическое поле области пространственного заряда должно быть достаточно большим, чтобы на длине свободного пробега электрон набрал энергию, большую, чем ширина запрещённой зоны:
    qλ=3Ig2{\displaystyle q\lambda ={\frac {3I_{g}}{2}}}
    2) Ширина области пространственного заряда должна быть существенно больше, чем длина свободного пробега:
    W>>λ{\displaystyle W>>\lambda }
    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.
Оцените статью
Рейтинг автора
5
Материал подготовил
Илья Коршунов
Наш эксперт
Написано статей
134
Добавить комментарий