No Image

Фотогальванический режим работы фотодиода

6 просмотров
11 марта 2020

Фотодиод – это полупроводниковый диод, у которого ток зависит от освещенности. Обычно под этим током подразумевают обратный ток фотодиода, потому что его зависимость от освещенности выражена на порядки сильнее, чем прямого тока. В дальнейшем мы будем говорить именно про обратный ток.

В общем случае фотодиод представляет собой p-n переход, открытый для светового излучения. Под воздействием света в области p-n перехода генерируются носители заряда (электроны и дырки), которые проходят через него и вызывают напряжение на выводах фотодиода или протекание тока в замкнутой цепи.

Фотодиод, в зависимости от его материала, предназначен для регистрации светового потока в инфракрасном, оптическом и ультрафиолетовом диапазоне длин волн. Фотодиоды изготавливают из кремния, германия, арсенида галлия, арсенида галлия индия и других материалов.

Фотодиоды широко используются в системах управления, метрологии, робототехнике и других областях. Также они используются в составе других компонентов, например, оптопар, оптореле. Применительно к микроконтроллерам, фотодиоды находят применение в качестве различных датчиков – концевых датчиков, датчиков освещенности, расстояния, пульса и т.д.

На электрических схемах фотодиод обозначается как диод, с двумя направленными к нему стрелочками. Стрелки символизируют падающее на фотодиод излучение. Не путайте с обозначением светодиода, у которого стрелки направлены от него.

Буквенное обозначение фотодиода может быть VD или BL (фотоэлемент).

Фотодиод работает в двух режимах: фотодиодном и фотогальваническом (фотовольтаическом, генераторном).

В фотодиодном режиме используется источник питания, который смещает фотодиод в обратном направлении. В этом случае через фотодиод течет обратный ток, пропорциональный падающему на него световому потоку. В рабочем диапазоне напряжений (то есть до наступления пробоя), этот ток практически не зависит от приложенного обратного напряжения.

В фотогальваническом режиме фотодиод работает без внешнего источника питания. В этом режиме он может работать в качестве датчики или в качестве элемента питания (солнечной батареи), так как под воздействием света на выводах фотодиода появляется напряжение, зависящее от потока излучения и нагрузки.

Чтобы получше разобраться с режимами работы фотодиода, нужно рассмотреть его вольтамперную характеристику.

График состоит из 4 областей, так называемых квадрантов. Фотодиодному режиму соответствует работа в 3-м квадранте.

При отсутствии излучения график представляет собой обратную ветвь вольтамперной характеристики обычного полупроводникового диода. Присутствует небольшой обратный ток, который называется тепловым (темновым) током обратно смещенного p-n перехода.

При наличии светового потока, сопротивление фотодиода уменьшается и обратный ток фотодиода возрастает. Чем больше света падает, тем больший обратный ток течет через фотодиод. Зависимость обратного тока фотодиода от светового потока в этом режиме линейная.

Читайте также:  Бесплатные векторы для коммерческого использования

Из графика видно, что обратный ток фотодиода слабо зависит от обратного напряжения. Посмотрите на наклон графика от нулевого напряжения до напряжения пробоя, он маленький.

Фотогальваническому режиму соответствует работа фотодиода в 4-м квадранте. И здесь можно выделить два предельных случая:

– холостой ход (хх),
– короткое замыкание (кз).

Режим близкий к холостому ходу используется для получения энергии от фотодиода. То есть для применения фотодиода в качестве солнечной батареи. Конечно, от одного фотодиода будет мало проку, да и КПД у него невысокий. Но если соединить много элементов, то такой батареей можно запитать какое-нибудь мало-потребляющее устройство.

В режиме короткого замыкания, напряжение на фотодиоде близкое к нулю, а обратный ток прямо пропорционален световому потоку. Этот режим используется для построения фотодатчиков.

В чем преимущество и недостатки фотодиодного и фотогальванического режимов работы? Фотодиодный режим обеспечивает большее быстродействие фотодиода, но в этом режиме всегда есть темновой ток. В фотогальваническом режиме темнового тока нет, но быстродействие датчиков будет ниже.

Фотодиод – это полупроводниковый диод, у которого ток зависит от освещенности. Обычно под этим током подразумевают обратный ток фотодиода, потому что его зависимость от освещенности выражена на порядки сильнее, чем прямого тока. В дальнейшем мы будем говорить именно про обратный ток.

В общем случае фотодиод представляет собой p-n переход, открытый для светового излучения. Под воздействием света в области p-n перехода генерируются носители заряда (электроны и дырки), которые проходят через него и вызывают напряжение на выводах фотодиода или протекание тока в замкнутой цепи.

Фотодиод, в зависимости от его материала, предназначен для регистрации светового потока в инфракрасном, оптическом и ультрафиолетовом диапазоне длин волн. Фотодиоды изготавливают из кремния, германия, арсенида галлия, арсенида галлия индия и других материалов.

Фотодиоды широко используются в системах управления, метрологии, робототехнике и других областях. Также они используются в составе других компонентов, например, оптопар, оптореле. Применительно к микроконтроллерам, фотодиоды находят применение в качестве различных датчиков – концевых датчиков, датчиков освещенности, расстояния, пульса и т.д.

На электрических схемах фотодиод обозначается как диод, с двумя направленными к нему стрелочками. Стрелки символизируют падающее на фотодиод излучение. Не путайте с обозначением светодиода, у которого стрелки направлены от него.

Буквенное обозначение фотодиода может быть VD или BL (фотоэлемент).

Фотодиод работает в двух режимах: фотодиодном и фотогальваническом (фотовольтаическом, генераторном).

В фотодиодном режиме используется источник питания, который смещает фотодиод в обратном направлении. В этом случае через фотодиод течет обратный ток, пропорциональный падающему на него световому потоку. В рабочем диапазоне напряжений (то есть до наступления пробоя), этот ток практически не зависит от приложенного обратного напряжения.

Читайте также:  Как восстановить контакты на пульте телевизора

В фотогальваническом режиме фотодиод работает без внешнего источника питания. В этом режиме он может работать в качестве датчики или в качестве элемента питания (солнечной батареи), так как под воздействием света на выводах фотодиода появляется напряжение, зависящее от потока излучения и нагрузки.

Чтобы получше разобраться с режимами работы фотодиода, нужно рассмотреть его вольтамперную характеристику.

График состоит из 4 областей, так называемых квадрантов. Фотодиодному режиму соответствует работа в 3-м квадранте.

При отсутствии излучения график представляет собой обратную ветвь вольтамперной характеристики обычного полупроводникового диода. Присутствует небольшой обратный ток, который называется тепловым (темновым) током обратно смещенного p-n перехода.

При наличии светового потока, сопротивление фотодиода уменьшается и обратный ток фотодиода возрастает. Чем больше света падает, тем больший обратный ток течет через фотодиод. Зависимость обратного тока фотодиода от светового потока в этом режиме линейная.

Из графика видно, что обратный ток фотодиода слабо зависит от обратного напряжения. Посмотрите на наклон графика от нулевого напряжения до напряжения пробоя, он маленький.

Фотогальваническому режиму соответствует работа фотодиода в 4-м квадранте. И здесь можно выделить два предельных случая:

– холостой ход (хх),
– короткое замыкание (кз).

Режим близкий к холостому ходу используется для получения энергии от фотодиода. То есть для применения фотодиода в качестве солнечной батареи. Конечно, от одного фотодиода будет мало проку, да и КПД у него невысокий. Но если соединить много элементов, то такой батареей можно запитать какое-нибудь мало-потребляющее устройство.

В режиме короткого замыкания, напряжение на фотодиоде близкое к нулю, а обратный ток прямо пропорционален световому потоку. Этот режим используется для построения фотодатчиков.

В чем преимущество и недостатки фотодиодного и фотогальванического режимов работы? Фотодиодный режим обеспечивает большее быстродействие фотодиода, но в этом режиме всегда есть темновой ток. В фотогальваническом режиме темнового тока нет, но быстродействие датчиков будет ниже.

Фотогальванический режим – это режим работы фотодиода без внешнего источника напряжения, предназначенный для непосредственного преобразования световой энергии в электрическую. Фотодиоды в фотогальваническом режиме также называют полупроводниковыми фотоэлементами, а если они имеют большую площадь – солнечными батареями. Включение фотодиода показано на рисунок 76.8, где R – сопротивление нагрузки.

Принцип работы заключается в следующем. Электрическое поле p-n перехода производит разделение неравновесных носителей заряда, генерированных светом. Неосновные носители заряда переносятся полем перехода: электроны из p- в n-область, дырки из n- в p-область и становятся основными. С точки зрения энергетической диаграммы (рисунок 76.2) это означает скатывание электронов с потенциального барьера в n-область и скатывание дырок в p-область. В результате

Читайте также:  Цифровой тв тюнер dvb t2 для компьютера

n-область заряжается отрицательно, а p-область – положительною между р- и n-областями возникает разность потенциалов – фото ЭДС. Направление возникшего в результате освещения тока через нагрузочное сопротивление показано на рис.76.8.

Переход неосновных носителей заряда не беспределен, так как перейдя, они нейтрализуют часть объемного заряда n-p перехода, понижают высоту потенциального барьера и тем самым напряженность поля на переходе и ухудшают его разделительные свойства.

Фотогальваническому режиму соответствует часть полной ВАЧ фотодиода, изображенной на рисунок 76.9. расположенная в четвертом квадрате. Отдельно вольтамперные характеристики в фотогальваническом режиме различных световых потоках показаны на рис. 76.10.

I I φ=0

Uxx1 Uxx2

Uxx U Ik31 φ1

Рисунок 76.9 Рисунок 76.10

Точки пересечения ВАХ с осью напряжений Uxx соответствует значениям фото – ЭДС или напряжениям холостого хода (при разомкнутой цепи), точки пересечения с осью токов Ik3 соответствует значениям токов короткого замыкания (R=0).

Световые характеристики в фотогальваническом режиме – в зависимости фото-ЭДС или тока короткого замыкания от светового потока. Они нелинейны (рисунок 76.11), что связанным рассмотренным выше процессом уменьшения высоты потенциалов при переходе электронов n область. Максимальное значение фото-ЭДС приближается к величине контактной разности потенциалов. φk

Спектральная характеристика фотодиода в фотогальваническом режиме – это зависимость тока короткого замыкания от длины волны (или частоты) падающего света. На рисунке 76.12. показана зависимость Ik3 от λ для кремниевого фотодиода. Спад со стороны больших λ – красная граница фотоэффекта. Спад со стороны коротких М связан с тем, что фотоны с энергией, заметно превышающей ширину запрещенной зоны, активно поглощаются в тонком приповерхностном слое, где скорость рекомбинации неравновесных носителей заряда высока.

длина волны, мкм

Рисунок 76.11 Рисунок 76.12

Коэффициент полезного действия – это отношение максимальной мощности которую можно получит на нагрузочном сопротивлении к полной мощности лучистого потока, падающего на рабочую поверхность фотодиода. КПД различных фотодиодов, изготовленных из кремния, арсенида галлия других полупроводников, достигает 12-20% невысокая величина КПД связана с фотоэлектрический неактивным поглощением света, его отражением от поверхности, рекомбинацией неравновесных электронов и дырок до разделения их полем, потерями мощности при прохождении тока через объем фотодиода и другими причинами.

Дата добавления: 2015-02-10 ; просмотров: 2685 ; ЗАКАЗАТЬ НАПИСАНИЕ РАБОТЫ

Комментировать
6 просмотров
Комментариев нет, будьте первым кто его оставит

Это интересно
No Image Компьютеры
0 комментариев
No Image Компьютеры
0 комментариев
No Image Компьютеры
0 комментариев
No Image Компьютеры
0 комментариев
Adblock detector