Fotodiodo vah. Fotorresistores: cambian la resistencia cuando se iluminan. Parámetros y características de los fotodiodos.

En ingeniería eléctrica se utilizan ampliamente diversos instrumentos y dispositivos relacionados con las características y propiedades físicas de los materiales. Entre ellos, un lugar especial lo ocupan los fotodiodos, cuyo principio de funcionamiento se basa en la influencia de la radiación óptica. Como resultado, el material cambia sus propiedades, lo que le permite realizar diversas funciones en los circuitos eléctricos.

Principio de funcionamiento de un fotodiodo.

Un fotodiodo simple es un diodo semiconductor ordinario con una unión pn, que está expuesto a radiación óptica. En ausencia total de flujo luminoso, el diodo está en estado de equilibrio y tiene propiedades normales.

La acción de la radiación se dirige perpendicular al plano donde se encuentra la unión pn. La energía con la que se absorben los fotones supera la banda prohibida, lo que conduce a la formación de pares electrón-hueco. Estos pares, formados por electrones y huecos, se denominan fotoportadores.

Cuando los fotoportadores penetran en la región n, los electrones y los huecos en masa no tienen tiempo de desintegrarse en componentes y acercarse directamente al límite de la unión p-n. En este punto, los fotoportadores se separan mediante un campo eléctrico. Como resultado, los agujeros caen en la región p. Los electrones no pueden atravesar el campo que rodea la transición, por lo que comienzan a acumularse cerca de la región n y en el límite de transición. Por tanto, el paso de corriente a través de la unión depende enteramente del movimiento de los agujeros. Este tipo de corriente con la participación de fotoportadores se llama fotocorriente.

Bajo la influencia de los fotoportadores-agujeros, surge una carga positiva en la región p en relación con la región p. De la misma manera, la región n queda cargada negativamente en relación con la región p. Se produce una diferencia de potencial, llamada fotoemf. La corriente generada en el fotodiodo tiene valor y dirección opuesta desde el cátodo al ánodo. La magnitud de esta corriente aumenta según el grado de iluminación. Los fotodiodos pueden funcionar en dos modos. En el primer caso, se utiliza el modo fotogenerador, que no proporciona una fuente externa de electricidad. En modo fotoconvertidor, es necesario utilizar una fuente de alimentación externa.

El modo fotogenerador le permite utilizar fotodiodos como fuentes de energía que convierten la radiación solar en energía eléctrica. Se utilizan como. La eficiencia de las células basadas en silicio es aproximadamente del 20%. La eficiencia de las estructuras de película puede ser significativamente mayor.

Cuando se trabaja con un fotodiodo, a menudo se utiliza la propiedad de falla eléctrica reversible. Como resultado, el número de portadores de carga se multiplica como una avalancha, similar a los diodos Zener semiconductores. Hay un aumento significativo en la fotocorriente y la sensibilidad de los fotodiodos. Este valor supera los parámetros habituales cientos de veces.

La frecuencia de los fotodiodos de avalancha alcanza hasta 10 GHz, lo que permite su uso como dispositivos fotoeléctricos de alta velocidad. El único inconveniente de estos dispositivos es el mayor nivel de ruido. Los fotodiodos se utilizan muy a menudo junto con los LED. Están colocados en una carcasa común y la ubicación del área fotosensible del fotodiodo es la más óptima para el área del LED emisor. Estos dispositivos se llaman optoacopladores. Las conexiones eléctricas no afectan en absoluto a los circuitos de entrada y salida, ya que las señales se transmiten mediante radiación óptica.

Características de los fotodiodos.

Si consideramos los fotodiodos directamente, el principio de funcionamiento y otros parámetros de estos dispositivos en general, cabe señalar cómo se relaciona la potencia de salida con la masa total y el área de la batería solar. El valor máximo de estos parámetros puede alcanzar 200 vatios por 1 kg y 1 kilovatio por 1 m2, respectivamente.

Además, es importante la característica corriente-tensión, en la que la tensión de salida depende de la corriente de salida. El valor de las características espectrales muestra la relación entre la fotocorriente y la magnitud de las ondas de luz que inciden en el fotodiodo. El valor máximo de este parámetro depende directamente de cuánto aumenta el coeficiente de absorción.

La fotocorriente y la iluminación determinan las características de la luz del fotodiodo. Ambas cantidades tienen una relación directamente proporcional entre sí. Este valor representa el período de tiempo durante el cual se producen cambios después de que el fotodiodo se ilumina u oscurece. El indicador está correlacionado con el valor establecido. Un fotodiodo también se caracteriza según su resistencia en ausencia de luz y otros parámetros que determinan su rendimiento y ámbito de aplicación práctica.

2. Señales IP unificadas

3. Asignación de IP inversa

1. Propiedades de los fotodiodos, circuitos de conmutación, aplicación.

Fotodiodo (PD) - un receptor de radiación óptica que convierte el flujo incidente en su región fotosensible en una carga eléctrica debido a procesos en la unión p-n.

En la figura. La Figura 9 muestra un diagrama de bloques de un fotodiodo con elementos objetivo externos.

Cristal de 1 semiconductor;

2 pines;

3-conclusiones;

Flujo F de radiación electromagnética;

Voltaje electrónico de la fuente de CC;

Resistencia a la carga Rn.

Arroz. 9. Diagrama de bloques de un fotodiodo.

Principio de funcionamiento

Cuando la unión p-n se ilumina con radiación monocromática con una energía de fotón> (es la banda prohibida), se produce una absorción intrínseca de cuantos de radiación y se generan fotoelectrones y fotoagujeros en desequilibrio. Bajo la influencia del campo eléctrico de transición, estos fotoportadores se mueven: electrones - a la región n y huecos - a la región p, es decir. una corriente de deriva de portadores en desequilibrio fluye a través de la unión. La corriente del fotodiodo está determinada por la corriente del portador minoritario.

La ecuación que determina las características de luz y corriente-voltaje de las células fotovoltaicas se puede presentar de la siguiente manera:

, (5)

, (6)

¿Dónde está la corriente de fuga oscura a través de p-?nortetransición;

- corriente de saturación, es decir, el valor absoluto al que tiende la corriente oscura;

A– un coeficiente que depende del material de la fotocélula y tiene un valor de 1 a 4 (para los fotodiodos de germanio es igual a 1);

- temperaturak;

, k(cargo elemental);

(Constante de Boltzmann);

La familia de características de corriente-voltaje de un fotodiodo iluminado se muestra en la Figura 10.

Arroz. 10. Características corriente-voltaje del fotodiodo.

La familia de características corriente-voltaje del fotodiodo se ubica en los cuadrantes I, III, IV. El cuadrante I es el área que no funciona para el fotodiodo; en este modo, el fotocontrol de la corriente a través del diodo es imposible.

El cuadrante IV de la característica corriente-tensión del fotodiodo corresponde al modo de funcionamiento fotovoltaico del fotodiodo. Si el objetivo está abierto, entonces aumenta la concentración de electrones en la región n y de huecos en la región p, el campo de carga espacial de los átomos de impureza en la transición se compensa parcialmente y la barrera de potencial disminuye. Esta reducción se produce por una cantidad de fotoEMF llamada tensión de circuito abierto del fotodiodo Uxx. El valor de Uxx para PD es 0,5-0,55V para GaAs - arseniuro de galio Uxx=0,8÷0,9V y no puede exceder la diferencia de potencial de contacto de la unión, ya que en este caso el campo eléctrico queda completamente compensado y la separación de fotoportadores en la paradas de cruce.

Si las regiones p y n están conectadas por un conductor externo (modo de cortocircuito), entonces Uxx = 0 y una corriente de cortocircuito formada por fotoportadores en desequilibrio fluirá en el conductor.

Los valores intermedios están determinados por las líneas de carga, que con diferentes valores abandonan el origen en diferentes ángulos. Para un valor de corriente dado, de acuerdo con la característica corriente-voltaje PD, es posible seleccionar el modo óptimo de funcionamiento del fotodiodo, en el que se transferirá la mayor potencia eléctrica a la carga.

Las principales características luminosas de un fotodiodo en modo fotovoltaico son la dependencia de la corriente de cortocircuito del flujo luminoso. y voltaje de circuito abierto del flujo luminoso Uхх = , sus dependencias típicas se muestran en la Figura 11.

Como puede verse en la Fig. 11, la dependencia lineal en un amplio rango de Ф y sólo con flujos de luz significativos (Ф>2000...3000lm) comienza a aparecer la no linealidad.

La dependencia Uxx = también es lineal, pero con flujos luminosos que no superan los 200÷300 lm, tiene una no linealidad significativa en Ф más de 4000 lm. No linealidad a medida que F aumenta, se explica por un aumento en la caída de voltaje a través de la resistencia volumétrica de la base del fotodiodo, y la no linealidad Uхх = se explica por una disminución en la barrera de potencial al aumentar F.

Las características de la PD dependen en gran medida de la temperatura. Para las PD de silicio, Uxx cae 2,5 mV con un aumento de temperatura de 1˚С, mientras que Icr aumenta en unidades relativas de 3∙10 -3 1/˚С.

Arroz. 11. Características luminosas del fotodiodo.

El cuadrante III es la región del fotodiodo de operación PD, en la que se aplica voltaje inverso a la unión p-n (Fig. 9)

La característica corriente-voltaje de la resistencia de carga es una línea recta, cuya ecuación es:

,

¿Dónde está el voltaje inverso en el PD?

– fotocorriente.

El fotodiodo y la resistencia de carga están conectados en serie, es decir. por ellos circula la misma corriente . Esta corriente puede determinarse mediante el punto de intersección de la característica I-V del fotodiodo y la resistencia de carga.

Así, en el modo fotodiodo, para un flujo de radiación F dado, el fotodiodo es una fuente de corriente en relación con el circuito externo. Además, el valor de la corriente prácticamente no depende de los parámetros del circuito externo (,).

Un fotodiodo es un dispositivo fotovoltaico semiconductor que utiliza el efecto fotoeléctrico interno. El diseño de un fotodiodo es similar al de un diodo plano convencional. La diferencia es que su unión p-n tiene un lado que mira hacia la ventana de vidrio por la que entra la luz y está protegido de la luz por el otro lado. Los fotodiodos pueden funcionar en uno de dos modos:

– sin fuente externa de energía eléctrica (válvula o fotogenerador, modo fotovoltaico);

– con una fuente externa de energía eléctrica (modo fotodiodo o fotoconversión).

Consideremos el funcionamiento de un fotodiodo en modo válvula; el circuito de conexión se muestra en la Fig. 8.7.

Figura 8.7. Diagrama de circuito para conectar un fotodiodo para funcionamiento en modo puerta.

En ausencia de flujo de luz, se crea una diferencia de potencial de contacto en el límite de la unión p-n. A través de la transición fluyen dos corrientes una hacia la otra: I dr y I diff, que se equilibran entre sí. Cuando se ilumina la unión p-n, los fotones, que pasan al espesor del semiconductor, imparten energía a parte de los electrones de valencia suficiente para su transición a la banda de conducción, es decir, Debido al efecto fotoeléctrico interno, se generan pares electrón-hueco adicionales. Bajo la influencia de la diferencia de potencial de contacto de la unión p-n, los portadores de carga minoritarios de la región n (huecos) se mueven a la región p, y los portadores de carga minoritarios de la región p (electrones) a la n. -región. La corriente de deriva recibe un incremento adicional, llamado fotocorriente. La deriva de los portadores minoritarios conduce a la acumulación de un exceso de huecos en la región p y de electrones en la región n, lo que conduce a la creación de una diferencia de potencial en los terminales del fotodiodo. cuando el circuito externo está abierto, llamado foto-EMF Barrera de transición de potencial, al igual que con el voltaje directo, disminuye en la cantidad de foto-EMF, llamado voltaje de circuito abierto U xx cuando el circuito externo está abierto. La reducción de la barrera de potencial aumenta la corriente de difusión DI de los portadores mayoritarios a través de la unión. Se dirige hacia la fotocorriente. Dado que el interruptor está abierto, se establece un equilibrio termodinámico de corrientes en la estructura:

El valor de la fotoemf no puede exceder la diferencia de potencial de contacto de la unión p-n. De lo contrario, debido a la compensación completa del campo en la unión, se detiene la separación de las portadoras generadas ópticamente. Así, por ejemplo, para fotodiodos de selenio y silicio la fotoemf alcanza 0,5...0,6 V, para fotodiodos hechos de arseniuro de galio - 0,87 V.

Cuando se conecta una carga a un fotodiodo iluminado (la llave está cerrada), aparecerá una corriente en el circuito eléctrico debido a la deriva de los portadores minoritarios. El valor de la corriente depende del foto-EMF y de la resistencia de la carga; la corriente máxima con la misma iluminación del fotodiodo será cuando la resistencia de la resistencia sea cero, es decir cuando el fotodiodo está en cortocircuito. Cuando la resistencia de la resistencia no es cero, la corriente en el circuito externo del fotodiodo disminuye.

La corriente que circula por el fotodiodo se puede escribir de la siguiente manera:

, (8.6)

donde I f – fotocorriente;

I 0 – corriente térmica de la unión p-n;

U es el voltaje a través del diodo.

Con el circuito externo abierto (R n =¥, If total =0), es fácil expresar el voltaje en la transición sin carga, que es igual a la foto-EMF:

. (8.7)

Los fotodiodos que funcionan en modo fotogenerador se utilizan a menudo como fuentes de energía que convierten la energía de la radiación solar en energía eléctrica.

En el modo de operación de fotodiodo o fotoconversión, se enciende una fuente de energía externa en serie con el fotodiodo, polarizando el diodo en la dirección opuesta (figura 5.12).

Fig.8.8. Circuito de conexión de fotodiodo para funcionamiento en modo fotodiodo.

En ausencia de flujo de luz y bajo la acción de un voltaje aplicado de manera inversa, la corriente inversa inicial habitual I o, que se llama oscura, fluye a través del fotodiodo. La corriente oscura limita el valor mínimo del flujo luminoso. Cuando se ilumina un fotodiodo, los cuantos de luz eliminan adicionalmente electrones de los enlaces de valencia del semiconductor, aumentando así el flujo de portadores de carga minoritarios a través de la unión p-n. Cuanto mayor es el flujo de luz que incide sobre el fotodiodo, mayor es la concentración de portadores de carga minoritarios cerca de la capa de barrera y mayor es la fotocorriente, determinada por el voltaje de la fuente externa y el flujo de luz, que fluye a través del diodo.

Con la resistencia de carga Rn y el voltaje de la fuente de alimentación seleccionados correctamente, esta corriente dependerá únicamente de la iluminación del dispositivo, y la caída de voltaje a través de la resistencia puede considerarse como una señal útil.

El modo de fotodiodo se caracteriza por una alta sensibilidad, un amplio rango dinámico de conversión de radiación óptica y un alto rendimiento (la capacitancia de barrera de la unión p-n disminuye). La desventaja del modo de funcionamiento con fotodiodo es la gran corriente oscura, que depende de la temperatura.

5.9. Características y parámetros del fotodiodo.

El fotodiodo se describe mediante las características de corriente-voltaje, energía (luz), espectral y de frecuencia que se muestran en la Fig. 8.9, 8.10.

Si se conecta una fuente de voltaje a un fotodiodo apagado, cuyo valor y polaridad se pueden cambiar, entonces las características corriente-voltaje obtenidas tendrán la misma apariencia que las de un diodo semiconductor convencional (figura 8.9a). Cuando se ilumina el fotodiodo, solo la rama inversa de la característica corriente-voltaje cambia significativamente, mientras que las ramas directas a voltajes relativamente bajos prácticamente coinciden.

Figura 8.9. Diagrama de circuito para conectar un fotodiodo para funcionamiento en modo puerta.

En el cuadrante III, el fotodiodo opera en modo fotodiodo, y en el cuadrante IV en modo fotoválvula, y la fotocélula se convierte en una fuente de energía eléctrica. El cuadrante I es la región que no funciona para el fotodiodo; en este cuadrante, la unión p-n tiene polarización directa.

La característica de energía de un fotodiodo conecta la fotocorriente con el flujo de luz que incide sobre el fotodiodo. 8.9, b. Cuando el fotodiodo funciona en modo válvula, las características espectrales dependen significativamente de la resistencia de la resistencia incluida en el circuito externo. A medida que aumenta la resistencia de la carga, las características se distorsionan cada vez más y, a altas resistencias, tienen una región de saturación pronunciada. Cuando el fotodiodo funciona en modo fotodiodo, las características de energía son lineales, es decir Casi todos los fotoportadores llegan a la unión p-n y participan en la formación de fotocorriente.

Las características espectrales de un fotodiodo son similares a las características correspondientes de un fotorresistor y dependen del material del fotodiodo y de la cantidad de impurezas (figura 8.10a).

Figura 8.10. Espectral (a) y respuesta de frecuencia del fotodiodo.

Los fotodiodos de selenio tienen una característica espectral similar en forma a la dependencia espectral de la sensibilidad del ojo humano. Los fotodiodos de germanio y silicio son sensibles tanto en la parte visible como en la infrarroja del espectro de radiación.

La respuesta de frecuencia muestra el cambio en la sensibilidad integral cuando el brillo del flujo de luz cambia con diferentes frecuencias de modulación (Fig. 8.1, b). La velocidad de un fotodiodo se caracteriza por una frecuencia de corte, en la cual la sensibilidad integral disminuye en un factor de su valor de baja frecuencia.

Para aumentar la sensibilidad y la velocidad se han desarrollado los siguientes fotodiodos: con campo eléctrico incorporado; fotodiodos con estructura p – i – n; con barrera Schottky; Fotodiodos de avalancha.

Los fotodiodos con un campo eléctrico incorporado tienen una base dopada de manera desigual, lo que crea un campo eléctrico interno que acelera el movimiento de los portadores de carga minoritarios.

Los fotodiodos con estructura p–i–n tienen un espesor mayor de la región empobrecida de los portadores mayoritarios; la región i tiene una resistividad 10 6 ... 10 7 veces mayor que la resistencia de las regiones dopadas de tipo n y p; . Se pueden aplicar grandes voltajes inversos a la unión y se establece un campo eléctrico uniforme en toda la región i. La radiación luminosa incidente es absorbida por la región i, que tiene un fuerte campo eléctrico, lo que contribuye a la rápida deriva de los portadores hacia las regiones correspondientes.

Los fotodiodos con barrera Schottky logran un alto rendimiento debido a la mínima resistencia de la base y a la ausencia de acumulación y reabsorción de cargas excesivas. En los fotodiodos de avalancha, la multiplicación de portadores por avalancha se produce en la unión p-n y, debido a esto, la sensibilidad aumenta considerablemente, su velocidad de funcionamiento es f gr = 10 11 ... 10 12 Hz. Estos diodos se consideran uno de los elementos prometedores de la optoelectrónica.

Los parámetros del fotodiodo son los siguientes:

1. Corriente oscura I T: la corriente inversa inicial que fluye a través del diodo en ausencia de polarización externa y radiación luminosa (10...20 µA para diodos de germanio y 1...2 µA para diodos de silicio).

2. Tensión de funcionamiento U p – tensión nominal aplicada al fotodiodo en modo fotodiodo (U p =10...30 V).

3. La sensibilidad integral S int muestra cómo cambia la fotocorriente con un solo cambio en el flujo luminoso:

. (8.8)

4. Frecuencia de corte f gr – la frecuencia a la que la sensibilidad integral disminuye en un factor (10 7 ... 10 12 Hz).

Trabajo de laboratorio No. 16.

Estudio de fotodiodo

Objetivo: Familiarícese con el principio de funcionamiento, diseño, características y aplicación de los fotodiodos semiconductores.

Dispositivos y accesorios: Fotodiodo de germanio FD-7G, soporte para medir las características de corriente-voltaje de diodos, banco óptico con iluminador, fuente de alimentación, osciloscopio.

Introducción teórica

fotodiodo Se llama diodo semiconductor que es sensible a la luz y está diseñado para convertir el flujo luminoso (radiación óptica) en una señal eléctrica.

No difieren en principio de funcionamiento de un fotoconvertidor de energía solar, los fotodiodos tienen sus propias características y características de diseño, que están determinadas por su propósito.

Los fotodiodos están destinados a ser utilizados como receptores y sensores de radiación óptica (generalmente visible e infrarroja) como parte de equipos y diversos dispositivos que utilizan radiación visible e infrarroja.

El funcionamiento de los fotodiodos se basa en el fenómeno del efecto fotoeléctrico interno, en el que, bajo la influencia de la luz, aparecen electrones y agujeros adicionales (fuera del equilibrio) en el semiconductor, creando una fotocorriente o fotovoltaje.

1. El principio de funcionamiento de los fotodiodos con unión p-n. En los fotodiodos, el elemento fotosensible es la región de transición, una unión p-n, ubicada entre las regiones con conductividad electrónica y de huecos (Fig. 1).

Formación de una unión p-n. Un semiconductor de tipo n contiene un cierto número de átomos de impureza de tipo donante, que casi todos están ionizados a temperatura ambiente. Por tanto, en dicho semiconductor hay n electrones libres y el mismo número de iones de impureza donantes inmóviles con carga positiva.

En un semiconductor hueco (semiconductor tipo p) ocurre una situación similar. Contiene p o agujeros libres y la misma cantidad de iones cargados negativamente de átomos aceptores. El principio de formación de una unión pn se muestra en la figura. 1.

Cuando en ellos las regiones p y n entran en contacto, debido a la presencia de un gradiente de concentración de electrones y huecos, surge un flujo de difusión de electrones desde un semiconductor de tipo n a un semiconductor de tipo p y, a la inversa, un flujo de agujeros de un semiconductor p a un semiconductor n. Los electrones transferidos de la región n a la región p se recombinan con huecos cerca de la interfaz. Los agujeros se recombinan de manera similar, pasando de la región p a la región n. Como resultado, prácticamente no quedan portadores de carga libres (electrones y huecos) cerca de la unión p-n.

Así, a ambos lados de la unión p-n, se forma una capa doble cargada formada por iones de impurezas estacionarias (otros nombres son capa de agotamiento o región de carga espacial (SCR), capa de bloqueo), creando un fuerte campo eléctrico. El campo eléctrico de la capa de bloqueo se dirige desde la región n a la región p y contrarresta el proceso de difusión de los portadores de carga mayoritarios desde regiones alejadas de la unión p-n hasta la región de agotamiento. Este estado es de equilibrio y, en ausencia de perturbaciones externas, puede existir indefinidamente.

Arroz. 1 – Formación de la unión p-n Fig. 2

El principio de funcionamiento de un fotodiodo. La radiación óptica (luz) absorbida en una estructura semiconductora con una unión p-n crea pares electrón-hueco libres siempre que la energía del fotón hν supere la banda prohibida del semiconductor, por ejemplo.

Los electrones libres y los huecos aparecen tanto en las regiones p y n de la transición como en las inmediaciones de la capa de bloqueo. El campo eléctrico existente en la capa de bloqueo (el campo de la unión p-n) separa los portadores de carga libres creados por la luz, según su signo, en diferentes partes del fotodiodo: los electrones libres se mueven a la región n de la unión, y Los agujeros se mueven a la región p, lo que conduce a la carga de estas regiones (Fig. 2).

Cuando se ilumina, los agujeros se acumulan en la región p, cargándola positivamente. Los electrones se acumulan en la región n, cargándola negativamente. Por tanto, surge una diferencia de potencial entre ellos.

En este caso, son posibles dos modos de funcionamiento del dispositivo: en circuitos con fuente de alimentación externa y sin ella. El modo de funcionamiento de un fotodiodo con una fuente de alimentación externa se llama fotodiodo, y sin una fuente de alimentación externa, modo fotovoltaico (otro nombre es modo fotovoltaico).

Modo de generación. En este caso, no se aplica ningún voltaje externo a la unión y el circuito está abierto. La iluminación conduce a la acumulación de fotoelectrones en la región n y huecos en la región p. Como resultado, se forma una diferencia de potencial U f (a menudo llamada “tensión

Arroz. 3 Fig. 4 – Características corriente-voltaje del fotodiodo

a diferentes flujos luminosos (F 1< Ф 2 < Ф 3).

ralentí U xx "), es decir, aparece fotovoltaje. La acumulación de electrones y huecos sobrantes no se produce ilimitadamente. Simultáneamente con el aumento de la concentración de huecos en la región de huecos y de electrones en la región electrónica, la barrera de potencial de transición disminuye en el valor del fotovoltaje y se produce la difusión de los portadores de carga mayoritarios a través de la unión p-n. Se establece el equilibrio dinámico.

Cuando se conecta una carga R n a los terminales externos del fotodiodo, aparecerá una corriente en su circuito (Fig. 3). En el circuito externo, la fotocorriente se dirige desde la región p a la región n. En tales condiciones, el fotodiodo funciona como un convertidor de energía de radiación en energía eléctrica.

Característica corriente-voltaje de una unión p-n iluminada. La característica corriente-voltaje de la unión p-n bajo iluminación se puede escribir de la siguiente forma:

, (1)

donde In es la corriente de saturación en la oscuridad; I f - fotocorriente, es decir, la corriente creada por los portadores de carga excitados por la luz y que pasa a través de la unión p-n; U – voltaje externo en la unión.

En la figura. La Figura 4 muestra gráficos de dependencias corriente-voltaje para diferentes flujos de luz F. En ausencia de iluminación (I f = 0), la característica corriente-voltaje (oscuridad) pasa por el origen de coordenadas. Las curvas restantes, correspondientes a ciertos flujos de luz, se desplazan a lo largo del eje de ordenadas (eje de corriente) en segmentos iguales a la intensidad de la fotocorriente - I f. De la expresión (1) queda claro que cuando se vuelve a encender (U< 0) и при

(qU >> kT) intensidad de corriente a través de la unión I = - (I n + If).

Partes de las curvas ubicadas en el tercer cuadrante corresponden al modo de operación del fotodiodo): partes de las curvas ubicadas en el cuarto cuadrante corresponden al modo de generación de fotovoltaje.

Si la intensidad de la corriente en el circuito externo es I = 0 (el circuito está abierto), entonces, a partir de la expresión (1), puede encontrar el voltaje del circuito abierto U f.

(2)

Si el fotodiodo en el modo de generación está conectado a un circuito externo con baja resistencia, entonces los fotoelectrones en la región n no se acumulan y U f = 0. Y como no hay voltaje externo, fluye una corriente I = - If el circuito, a menudo llamado corriente de cortocircuito y directamente proporcional al flujo luminoso I f ~ F.

Arroz. 5 – Diagrama de bloques y circuito del fotodiodo.

encendiéndolo cuando se opera en modo fotodiodo: Fig. 6

1 - cristal semiconductor; 2 - contactos;

3 - conclusiones; F - flujo electromagnético

radiación; n y p - regiones del semiconductor;

E - fuente de corriente continua; R n - carga.

Modo fotodiodo. En este modo, se aplica voltaje inverso a la unión p-n.

(La región p está conectada al menos de la fuente de voltaje y la región n al más de la fuente; Fig. 5). El circuito también incluye una resistencia de carga (resistencia) R n. En este caso, la unión tiene una resistencia enorme y a través de ella fluye una corriente inversa débil (corriente de saturación en la oscuridad I n). Cuando se ilumina un fotodiodo, la corriente que lo atraviesa aumenta drásticamente debido a la aparición de una fotocorriente y puede exceder significativamente la corriente oscura In (Fig. 4). La caída de tensión a través de la resistencia de carga Rn cambia en consecuencia. Con la elección correcta de la fuente de voltaje y la resistencia externa Rn, la magnitud de la señal eléctrica (voltaje a través de la resistencia) puede ser grande y, por lo tanto, los fotodiodos se usan ampliamente para registrar y medir señales luminosas.

La corriente a través del fotodiodo está determinada principalmente por los flujos de portadores de carga minoritarios en desequilibrio (electrones en la región p y huecos en la región n) que surgen durante la iluminación y no depende del voltaje, es decir, tiene la naturaleza de una corriente de saturación.

Por lo tanto, en el modo fotodiodo, se observa una estricta dependencia lineal de la fotocorriente de la iluminación hasta valores de iluminación muy altos. Esta es una ventaja importante de los fotodiodos.

Para registrar señales ópticas variables (flujos de luz), el circuito que se muestra en la Fig. 6. El flujo de luz cambiante que incide sobre el fotodiodo provoca un componente de corriente alterna en el circuito, que repite los cambios en la intensidad de la luz. Y los mismos cambios de voltaje ocurren a través de la resistencia Rn, que se suministra a la entrada del sistema de grabación. Para separar (no perder) el componente de CC del voltaje a través de la resistencia, se ubica un capacitor de desacoplamiento C en el circuito de señal. 2. Tecnología y diseño de fabricación.

Para la fabricación de uniones p-n en la producción de fotodiodos, se utiliza el método de fusión y difusión de impurezas. Se presta especial atención a la profundidad de ubicación de la unión p-n en relación con

Fig. 7 – Diseño del geranio Fig. 8 – Características espectrales

fotodiodo FD-1. fotodiodos de germanio (1) y silicio (2).

superficie iluminada del cristal, ya que determina la inercia (velocidad) del fotodiodo. La Figura 7 muestra el diseño del fotodiodo de germanio FD-1 en una caja metálica. Una placa redonda 1, cortada de un monocristal de germanio con conductividad eléctrica tipo n, se fija mediante un soporte de cristal 2 en una carcasa kovar 3. El cable 4 de un electrodo de indio fundido con germanio se pasa a través de un tubo kovar 5, fijo con un aislante de vidrio 6 en la pata de la carcasa 7. Otro electrodo es el propio cuerpo del fotodiodo, ya que el cristal de germanio está soldado al soporte del cristal con un anillo de estaño 8. En el cuerpo del fotodiodo hay un orificio redondo, cerrado por una lente de vidrio 9, que recoge el flujo luminoso sobre la superficie limitada de la placa de germanio. Para proteger la unión p-n de las influencias ambientales, la carcasa del fotodiodo está sellada.

Algunos tipos de fotodiodos tienen una carcasa de plástico. El material de dicha carcasa y las ventanas de la carcasa metálica se eligen de manera que sean transparentes a aquella parte del espectro (radiación) a la que este fotodiodo debería ser sensible. Entonces, para los dispositivos de germanio esto es luz visible y radiación infrarroja de onda corta. Para fabricar fotodiodos se utilizan Ge, Si, GaAs, HgCdTe y otros compuestos semiconductores.

Principales características y parámetros de los fotodiodos.

- Sensibilidad S - parámetro que refleja el cambio en la señal eléctrica (corriente o voltaje) en la salida del fotodiodo cuando se ilumina.

Se mide cuantitativamente por la relación entre el cambio en la característica eléctrica (corriente I f o voltaje U f) medida en la salida del fotodiodo y el flujo de radiación F que incide en el dispositivo.

S I = Si f / F- sensibilidad actual, S v = U f / F- sensibilidad al voltaje.

- Umbral de sensibilidad F p– el valor del flujo luminoso mínimo registrado por el fotodiodo, por unidad de banda de frecuencia de funcionamiento.

- Constante de tiempo τ, que caracteriza la inercia del dispositivo, es decir, su velocidad.

Este es el tiempo durante el cual la fotocorriente del fotodiodo cambia después de la iluminación o después del oscurecimiento del fotodiodo en e veces con respecto al valor de estado estacionario.

Para fotodiodos con unión pn es 10 -6 – 10 -8 s.

- Resistencia a la oscuridad R T– resistencia del fotodiodo en ausencia de iluminación.

- Característica espectral– dependencia de la fotocorriente de la longitud de onda λ de la luz que incide sobre el fotodiodo. Para los fotodiodos de germanio y silicio, las características espectrales se muestran en la Fig. 8. La longitud de onda a la que se produce la sensibilidad máxima es aproximadamente λ max = 800 – 900 nm para fotodiodos de silicio; para fotodiodos de germanio es λ max = 1500 – 1600 nm.

- Característica corriente-voltaje- dependencia de la corriente luminosa del voltaje con un flujo luminoso constante.

- Característica de luz - dependencia de la fotocorriente de la iluminación.

Algunos otros parámetros se muestran en la tabla.

La designación gráfica convencional de fotodiodos se muestra en la Fig. 9, y fotografías de algunos fotodiodos se muestran en la Fig. 10.

Arroz. 9 Fig.10

4. Aplicación de fotodiodos. Los fotodiodos modernos tienen la mejor combinación de parámetros básicos:

1. Alta sensibilidad a las señales ópticas;

2. Alto rendimiento;

3. Bajo voltaje de funcionamiento;

4. Dependencia lineal de la fotocorriente de la iluminación en una amplia gama de iluminación.

5. Bajo nivel de ruido;

6. Sencillez del dispositivo.

Por lo tanto, se utilizan ampliamente en dispositivos de automatización, tecnología informática y láser y líneas de comunicación de fibra óptica.

En la vida cotidiana, los fotodiodos se utilizan en dispositivos como lectores de CD, cámaras modernas y diversos dispositivos sensores.

Por ejemplo, los fotodiodos infrarrojos se utilizan en controles remotos, sistemas de seguridad, protección y automatización.

Existen fotodiodos de rayos X que se utilizan para detectar radiaciones ionizantes y partículas de alta energía. Una aplicación importante es la de los dispositivos médicos, como las máquinas de tomografía computarizada.

Hacer el trabajo

Tarea 1. Medición de la característica corriente-voltaje de un fotodiodo en ausencia de iluminación (en la oscuridad).

Un lugar especial en ingeniería eléctrica lo ocupan los fotodiodos, que se utilizan en diversos dispositivos e instrumentos. Un fotodiodo es un elemento semiconductor cuyas propiedades son similares a las de un diodo simple. Su corriente inversa depende directamente de la intensidad del flujo de luz que incide sobre él. Muy a menudo, como fotodiodo se utilizan elementos semiconductores con una unión p-n.

Dispositivo y principio de funcionamiento.

El fotodiodo forma parte de muchos dispositivos electrónicos. Por eso ganó gran popularidad. Un LED convencional es un diodo con una unión pn, cuya conductividad depende de la luz que incide sobre él. En la oscuridad, el fotodiodo tiene las características de un diodo convencional.

1 – transición de semiconductores.
2 – polo positivo.
3 – capa fotosensible.
4 – polo negativo.

Cuando un flujo de luz actúa en el plano de transición, los fotones se absorben con una energía que excede el valor límite, por lo tanto, se forman pares de portadores de carga (fotoportadores) en la región n.

Cuando se mezclan fotoportadores en lo profundo de la región "n", la mayoría de los portadores no tienen tiempo para recombinarse y pasar al límite pn. En la unión, los fotoportadores se dividen mediante un campo eléctrico. En este caso, los agujeros se mueven a la región "p" y los electrones no pueden pasar por la transición, por lo que se acumulan cerca del límite de la transición p-n, así como de la región "n".

La corriente inversa del diodo aumenta cuando se expone a la luz. La cantidad en la que aumenta la corriente inversa se llama fotocorriente.

Los fotoportadores en forma de agujeros llevan una carga positiva en la región "p" con respecto a la región "n". A su vez, los electrones producen una carga negativa en la región "n" con respecto a la región "p". La diferencia de potencial resultante se denomina fuerza fotoelectromotriz y se denomina "Ef". La corriente eléctrica que surge en el fotodiodo es inversa y se dirige desde el cátodo al ánodo. Además, su valor depende del nivel de iluminación.

Modos de funcionamiento

Los fotodiodos son capaces de funcionar en los siguientes modos:

• Modo generador de fotos . Sin conectar una fuente de electricidad.
• Modo fotoconvertidor . Con conexión a una fuente de alimentación externa.

En curso fotogenerador Se utilizan fotodiodos en lugar de una fuente de energía que convierte la luz solar en energía eléctrica. Estos fotogeneradores se denominan células solares. Son las partes principales de los paneles solares utilizados en diversos dispositivos, incluidas las naves espaciales.

La eficiencia de las células solares basadas en silicio es del 20%; en el caso de las células de película, este parámetro es mucho mayor. Una propiedad importante de las células solares es la dependencia de la potencia de salida del peso y el área de la capa sensible. Estas propiedades alcanzan valores de 200 W/kg y 1 kW/m2.

Cuando el fotodiodo funciona como fotoconvertidor , la fuente de voltaje E está conectada al circuito con polaridad inversa. En este caso, se utilizan gráficos inversos de las características corriente-voltaje en diferentes niveles de iluminación.

El voltaje y la corriente en la carga R n se determinan en el gráfico mediante las intersecciones de las características del fotodiodo y la línea de carga, que corresponde a la resistencia R n. En la oscuridad, un fotodiodo tiene un efecto equivalente a un diodo convencional. La corriente en modo oscuro para diodos de silicio varía de 1 a 3 microamperios, para diodos de germanio de 10 a 30 microamperios.

Tipos de fotodiodos

Existen varios tipos diferentes de fotodiodos, que tienen sus propias ventajas.

pag – i – nortefotodiodo

En la región p-n, este diodo tiene una sección con alta resistencia y conductividad intrínseca. Cuando se exponen a la luz, aparecen pares de agujeros y electrones. El campo eléctrico en esta zona tiene un valor constante, no hay carga espacial.

Esta capa auxiliar reduce significativamente la capacitancia de la capa de bloqueo y es independiente del voltaje. Esto amplía la banda de frecuencia operativa de los diodos. Como resultado, la velocidad aumenta considerablemente y la frecuencia alcanza los 10 10 hercios. La mayor resistencia de esta capa reduce significativamente la corriente operativa en ausencia de iluminación. Para que el flujo de luz penetre a través de la capa P, ésta no debe ser gruesa.

Fotodiodos de avalancha

Este tipo de diodo es un semiconductor altamente sensible que convierte la luz en una señal de corriente eléctrica mediante el efecto fotoeléctrico. Es decir, se trata de fotodetectores que amplifican la señal por el efecto de multiplicación de avalanchas.

1 - contactos óhmicos 2 - revestimiento antirreflectante

Los fotodiodos de avalancha son más sensibles, a diferencia de otros fotodetectores. Esto permite utilizarlos para potencias de luz bajas.

Las superredes se utilizan en el diseño de fotodiodos de avalancha. Su esencia radica en el hecho de que diferencias significativas en la ionización por impacto de los medios conducen a una disminución del ruido.

Otra ventaja de utilizar estructuras similares es la localización de la propagación de avalanchas. Esto también reduce las interferencias. En una superred, el espesor de las capas oscila entre 100 y 500 angstroms.

Principio de funcionamiento

Con un voltaje inverso cercano al valor de ruptura de la avalancha, la fotocorriente aumenta bruscamente debido a la ionización por impacto de los portadores de carga. La acción es que la energía del electrón aumenta desde el campo externo y puede exceder el límite de ionización de la sustancia, como resultado de lo cual el encuentro de este electrón con un electrón de la zona de valencia conducirá a la aparición de un nuevo par. de electrón y hueco. Los portadores de carga de este par serán acelerados por el campo y pueden contribuir a la formación de nuevos portadores de carga.

Características

Las propiedades de tales diodos luminosos pueden describirse mediante determinadas dependencias.

voltios-amperios

Esta característica es la dependencia de la intensidad de la corriente con un flujo constante de luz del voltaje.

I- actual METRO— factor de multiplicación Ud.- Voltaje

Luz

Esta propiedad es la dependencia de la corriente del diodo de la iluminación. A medida que aumenta el flujo de luz, aumenta la fotocorriente.

Espectral

Esta propiedad es la dependencia de la corriente del diodo de la longitud de onda de la luz y es el ancho de la zona límite.

Constante de tiempo

Este es el tiempo durante el cual la fotocorriente del diodo cambia después de la aplicación de luz en comparación con el valor de estado estacionario.

Resistencia oscura

Este es el valor de resistencia del diodo en la oscuridad.

Inercia

Factores que influyen en esta característica:

• Tiempo de difusión de portadores de carga en desequilibrio.
• Tiempo de viaje a través del cruce p-n.
• Período de recarga de la capacitancia de la barrera de unión p-n.

Ámbito de aplicación

Los fotodiodos son los elementos principales de muchos dispositivos optoelectrónicos.

Circuitos integrados (optoelectrónicos)

Un fotodiodo puede tener una velocidad de funcionamiento significativa, pero la ganancia actual no es más que la unidad. Gracias a la comunicación óptica, los microcircuitos tienen importantes ventajas: aislamiento galvánico ideal de los circuitos de control de los circuitos de potencia potentes. Al mismo tiempo, se mantiene una conexión funcional entre ellos.

Fotodetectores con múltiples elementos

Estos dispositivos en forma de matriz de fotodiodos, scanistor, son nuevos dispositivos electrónicos progresivos. Su ojo optoelectrónico con fotodiodo puede crear una respuesta a las propiedades espaciales y de brillo de los objetos. En otras palabras, puede ver toda su imagen visual.

El número de células sensibles a la luz es muy grande. Por eso, además de cuestiones de velocidad y sensibilidad, es necesario leer la información. Todos los fotodetectores con múltiples fotocélulas son sistemas de escaneo, es decir, dispositivos que permiten analizar el espacio en estudio mediante visualización secuencial elemento por elemento.

Los fotodiodos también se utilizan ampliamente en líneas de fibra óptica y telémetros láser. Recientemente, estos diodos luminosos se han utilizado en tomografía por emisión de positrones.

Actualmente, existen muestras de matrices fotosensibles formadas por fotodiodos de avalancha. Su eficacia y ámbito de aplicación dependen de varios factores.

Los factores más influyentes fueron:

• La corriente de fuga total se forma sumando ruido y corriente en ausencia de luz.
• Eficiencia cuántica, que determina la fracción de cuantos incidentes que conducen a la generación de portadores de corriente y carga.