Что такое фотодиод

Характеристики фотодиодов для выбора

Параметры фотодиода можно найти в их спецификации в сети. Рассмотрим, по каким позициям подбираются детали

Следует сказать, что для несложных целей (реле освещенности, ИК-приемник) указанные ниже характеристики можно не брать во внимание, достаточно купить рекомендованное изделие для конкретной сборки

Вольтамперные качества, определяющие изменения значений светового потока согласно меняющемуся напряжению при стабильном потоке излучения и темновом токе. Ниже стандартная диаграмма ВАХ фотодиода.

Спектральные качества (чувствительность). Отображают как протяженность волны света, угол падения лучей меняют характеристики фототока на разных полупроводниках.

Чувствительность может измеряться при разных параметрах света:

Световая или энергетическая характеристика. Объяснена на рисунке ниже:

Временная постоянная. Период, за который происходит реагирование тока на увеличение/уменьшение затемнения, освещенности на 63 % от установленной величины.

Нижний предел чувствительности. Минимум интенсивности света для возникновения реакции фотодиода.

Темновое сопротивление. Характеризует состояние полупроводника при отсутствии света, это вольт-амперная характеристика при отсутствии излучения.

Инерционность:

Указанные выше основные характеристики используют для подбора фотодиодов к параметрам нагрузки:

Области рационального применения фотореле

Типовые ситуации, в которых требуется присутствие данного устройства:

• Когда включение и выключение цепи производится при помощи сигнала малой мощности;
• Когда несколько цепей должны управляться одним сигналом.

Эффективность применения фотореле обуславливается также и их универсальностью (помимо стандартной аппаратуры контроля можно использовать компьютеры или ноутбуки). Это позволяет реализовывать также и логические управляющие команды типа «если…то…».

Рассмотрим использование фотореле для уличного освещения. Технология их применения основана на использовании триггерных FEТ-переключателей.

Блок-схема фотореле с FET-переключателем

В приведенной блок-схеме используется серия К МДП-транзисторов.  В отличие от твердотельных реле, схема управляет фотодиодами напрямую. Это обеспечивает гораздо более высокие скорости переключения, поскольку время отключения питания при включении светодиода некритично. Из-за отсутствия механических составляющих поддерживается высокая компактность устройства, однако физический изоляционный барьер здесь отсутствует, а потому необходимо использовать только низковольтный управляющий сигнал.

Поскольку фотореле является альтернативой уже существующей панели дистанционного управления освещением, то прежде всего стоит подумать — а так ли уж необходима подобная замена. Если существующая система полностью соответствует электрическим нормам, то перед нагрузкой достаточно просто добавить релейную панель, и полный контроль за осветительной цепью будет обеспечен. В небольшом корпусе может быть размещено до 64 фотореле вместе с источником низкого напряжения, а рядом можно расположить панель выключателя.  Чем меньше число цепей, тем более экономичным становится применение релейной панели.

Фотореле можно использовать для управления однополюсными цепями 127/220 В переменного тока и двухполюсными (208…240 В) цепями переменного тока. Релейные панели наиболее экономичны при управлении меньшими нагрузками, но имеют один недостаток — они рассчитаны на ограниченное количество циклов включения/ выключения: от 20000 до 50000 (при нормальных обстоятельствах этого хватит примерно на 5 лет).

Общий вид блочной компоновки фотореле для уличного освещения и монтажная схема приведены на следующих рисунках.

Некоторые нюансы имеются в использовании фотореле совместно с датчиками движения.  Как правило, уличные фонари включаются на всю ночь. Но в ночное время уличные фонари не нужны, если нет движения. Поэтому всё чаще используют схемы, которые включают уличные фонари только при перемещения транспортного средства и некоторое время после него. Используется микроконтроллер AVR 8051 и несколько пар (чем больше, тем лучше) инфракрасных (ИК) датчиков.

Подключение релейной панели управления освещением

Предлагаемая система состоит из микроконтроллера Atmega8, LDR, PIR-датчика и RTC. Эта система управляет уличным освещением, используя светозависимый резистор и ИК-датчик.

Уличные фонари включаются в зависимости от интенсивности светового потока, который воспринимается на LDR. Если такая интенсивность на фоторезисторах низкая, значение их сопротивления — высокое. С уменьшением общей освещённости это значение увеличивается, и, таким образом, определяет, когда уличные фонари должны включиться.

Ночью движение транспорта минимально. Это обстоятельство можно использовать для настройки контроллера. По наступлении пикового времени, когда трафика нет, фотореле отключит наружное освещение. При появлении единичного транспортного средства ИК-датчик подаст управляющий сигнал микроконтроллеру. Тот на 2…3 минуты включит освещение, после чего автоматически его выключит.

Блочная компоновка фотореле

Схема включения фотореле для управления наружным освещением

Установка датчиков движения

Монтажная схема управления движением на базе фотореле

Характеристики фотодиодов для выбора

Параметры фотодиода можно найти в их спецификации в сети. Рассмотрим, по каким позициям подбираются детали

Следует сказать, что для несложных целей (реле освещенности, ИК-приемник) указанные ниже характеристики можно не брать во внимание, достаточно купить рекомендованное изделие для конкретной сборки

Вольтамперные качества, определяющие изменения значений светового потока согласно меняющемуся напряжению при стабильном потоке излучения и темновом токе. Ниже стандартная диаграмма ВАХ фотодиода.

Спектральные качества (чувствительность). Отображают как протяженность волны света, угол падения лучей меняют характеристики фототока на разных полупроводниках.

Чувствительность может измеряться при разных параметрах света:

Световая или энергетическая характеристика. Объяснена на рисунке ниже:

Временная постоянная. Период, за который происходит реагирование тока на увеличение/уменьшение затемнения, освещенности на 63 % от установленной величины.

Нижний предел чувствительности. Минимум интенсивности света для возникновения реакции фотодиода.

Темновое сопротивление. Характеризует состояние полупроводника при отсутствии света, это вольт-амперная характеристика при отсутствии излучения.

Инерционность:

Указанные выше основные характеристики используют для подбора фотодиодов к параметрам нагрузки:

Связанные устройства

Лавинные фотодиоды фотодиоды со структурой, оптимизированной для работы с высоким обратным смещением, приближающимся к обратному напряжению пробоя. Это позволяет каждому фото созданный перевозчик умножить на сход лавины, что приводит к внутреннему усилению фотодиода, что увеличивает эффективную отзывчивость устройства.

Электронный символ для фототранзистора

А фототранзистор представляет собой светочувствительный транзистор. Распространенный тип фототранзистора, биполярный фототранзистор, по сути биполярный транзистор заключен в прозрачный футляр так, чтобы свет может достичь база-коллектор соединение. Он был изобретен доктором. Джон Н. Шайв (более известен своим волновая машина) в Bell Labs в 1948 г.:205 но об этом не было объявлено до 1950 года. Электроны, которые генерируются фотонами в переходе база-коллектор, инжектируются в базу, и этот ток фотодиода усиливается коэффициентом усиления транзистора по току β (или h_fe). Если используются выводы базы и коллектора, а эмиттер остается неподключенным, фототранзистор становится фотодиодом. В то время как у фототранзисторов выше отзывчивость Что касается света, они не могут обнаруживать низкие уровни света лучше, чем фотодиоды.[нужна цитата] Фототранзисторы также имеют значительно большее время отклика. Другой тип фототранзистора, полевой фототранзистор (также известный как photoFET) — это светочувствительный полевой транзистор. В отличие от фотобиполярных транзисторов, фотоэлектрические транзисторы управляют током сток-исток, создавая напряжение затвора.

А соляристор представляет собой двухконтактный фототранзистор без затвора. Компактный класс двухполюсных фототранзисторов или соляристоров продемонстрировала в 2018 г. ICN2 исследователи. Новая концепция представляет собой источник питания «два в одном» и транзистор, работающий от солнечной энергии за счет использования мемрезистивного эффекта в потоке фотогенерированных носителей.

Инфракрасные детекторы

Антимонид индия (InSb)

Когда я думаю о фотодиодах, первое, что приходит на ум, – это InSb. Он гораздо менее распространен, чем кремний, но он запечатлелся в моем инженерном сознании, потому что один из самых важных корпоративных проектов, над которыми я когда-либо работал, был основан на массиве фотодиодов из InSb.

InSb чувствителен к коротковолновому и средневолновому инфракрасному излучению и предлагает отличную производительность для приложений, которые вместо видимого света должны обнаруживать тепловые сигнатуры. Однако чтобы максимально использовать InSb, вам нужно приложить дополнительные усилия, а именно охладить фотодиод до криогенных температур. Это делается с помощью сосудов Дьюара, в которых находится диод и жидкий азот. Вы заполняете сосуд Дьюара жидким азотом, и тогда ваш детектор из InSb будет готов к обеспечению максимальной чувствительности.

Арсенид галлия-индия (InGaAs) и германий (Ge)

InGaAs широко используется в качестве материала для быстродействующих и высокочувствительных детекторов инфракрасного излучения. В отличие от InSb, он обычно используется при комнатной температуре и имеет небольшое увеличение чувствительности на более коротких длинах волн: InSb работает примерно до 1 мкм, тогда как диапазон InGaAs снижен примерно до 0,7 мкм.

Германий похож на InGaAs в отношении спектрального отклика и работает при комнатной температуре. Но InGaAs может достичь значительно более высокого отношения сигнал/шум.

Теллурид кадмия-ртути (HgCdTe)

Теллурид кадмия-ртути играет важную роль в детекторах для длинноволновых инфракрасных приложений. Спектральный отклик InGaAs и InSb сужен до 2–3 мкм и 5–6 мкм соответственно, тогда как диапазон HgCdTe простирается до 16 мкм. Длинноволновый инфракрасный диапазон (LWIR, long-wavelength IR) используется для пассивного теплового обнаружения и визуализации.

Как и детекторы из InSb, детекторы из HgCdTe охлаждаются до криогенных температур. Это серьезное неудобство, и многие устройства для получения изображений LWIR используют неохлаждаемые микроболометры; микроболометры реагируют непосредственно на тепловую энергию, в отличие от фотодиодов, которые реагируют на падающие фотоны электромагнитного излучения. Микроболометры дешевле, меньше по размеру и более энергоэффективны; но детекторы из HgCdTe создают изображения более высокого качества.

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.

Фоторезисторы и фотодиоды. Устройство, принцип действия

Фоторезисторами называют полупроводниковые приборы, принцип действия которых основан на изменение сопротивления полупроводника под действием светового излучения.

На рис. 7.31 показано устройство фоторезистора, состоящего из диэлектрической подложки 1, выполненной из стекла или керамики, на которую наносится слой полупроводника (сернистый свинец) 2, покрытый защитным лаком. По краям выведены два металлических электрода 3. Фоторезистор крепится в пластмассовом корпусе 4, снабжённым слюдяным или стеклянным окошком 5, через которое проникает световой поток Ф, и выводятся электроды 3.

Рис. 7.31. Устройство фоторезистора

На рис. 7.32 изображена схема подключения фоторезистора ФR к источнику питания E через нагрузочное сопротивление Rн.

Рис. 7.32. Схема подключения фоторезистора к источнику питания

Вольтамперные характеристики фоторезистора приведены на рис.7.33, из которых видно, что при неосвещённом фоторезисторе (), по цепи проходит темновой ток . При этом фоторезистор имеет большое сопротивление, поэтому на нём падает значительное напряжение . Если на фоторезистор направить световой поток, то, в зависимости от освещения, его сопротивление начнёт уменьшаться. Проходящий по цепи фототок , будет равен разности светового и темнового токов . При светововом потоке , световой ток увеличивается до значения . Падение напряжения фоторезистора уменьшиться до значения . При полном освещении , световой ток достигнет значения , напряжение фоторезистора упадёт до значения . Недостатком такого полупроводникового прибора является его инерционность.

Рис. 7.33. Вольтамперные характеристики фоторезистора

К фотодиодам относятся полупроводниковые приборы, у которых область

р-n-перехода подвергается воздействию световой энергии. Рисунок 7.34 поясняет принцип работы светодиода, который имеет два электрода анод А и катод К.

Рис. 7.34. Схема фотогенерации свободных зарядов фотодиода под действием фотонов света

При отсутствии светового потока Ф р-n-переход П заперт. При освещении запирающего р-n-перехода происходит фотогенерация, фотоны света образуют пары электрон-дырка свободных зарядов, при этом свободные электроны переходят в слой n, свободные дырки — в слой p.

Фотодиоды работают в двух режимах: генераторном и преобразовательном. На рис.7.35 изображён фотодиод, работающий в генераторном режиме.

Рис. 7.35. Схема фотодиода, работающего в генераторном режиме

Под действием светового излучения генерируется фотоЭДС (около одного вольта) с полярностью анода (+), катода (-). В режиме короткого замыкания во нешней цепи и между слоями n и р фотодиода проходит максимальный обратный ток при нагрузке . Если включена нагрузка, то фототок уменьшается. В режиме холостого хода при , фотоЭДС , так как фототок будет равен нулю.

Режим работы фотодиода называется генераторным. Фотоэлементы, не требующие источника питания, находят широкое применение в электротехнике и автоматике. В генераторном режиме работают солнечные кремниевые батареи, в которых происходит преобразование солнечной энергии в электрическую энергию.

В режиме преобразователяв цепь фотодиода последовательно с нагрузкой включается источник ЭДС в запирающем (обратном) направлении. На рис.7.36 изображён преобразовательный режим работы фотодиода.

Рис. 7.36. Схема фотодиода, работающего в преобразовательном режиме

Если фотодиод неосвещен, то через него проходит незначительный темновой ток . При освещении запирающего перехода, фотодиод открывается и через него проходит световой ток , величина которого зависит от значения светового потока.

На рис. 7.37 приведены вольтамперные характеристики, поясняющие принцип работы фотодиода в генераторном и преобразовательном режимах.

Рис. 7.37. Вольтамперные характеристики, поясняющие принцип работы фотодиода в генераторном и преобразовательном режимах

Область применения

В современном мире область применения этих радиодеталей значительно расширена.

Применение разнообразных фоторезисторов, работающих в видимом спектре довольно обширно. Это могут быть:

1. Системы автоматических выключателей света.
2. Счетные устройства.
3. Датчики обрыва полотна или бумаги.
4. Датчики проникновения.
5. В приборах оснащенных экспонометрами. Например, такие элементы могли использоваться в типовых фотоаппаратах-мыльницах.

Сами по себе они только элемент сложных фотоприёмных устройств, в которых помимо фотодетектора может быть входить:

• интегральный усилитель;
• микросхема, отвечающая за автоматическую регулировку освещения;
• схемы цепей питания, дополненные системой охлаждения на элементах Пельтье.

Всё это многообразие элементов для фотодекторов, заключается в небольшой герметичный корпус.

Если эти приборы работают в ИК-диапазоне, их область применения немного другая. Они используются как часть сложных устройств, таких как:

• датчики обнаружения пламени;
• системы бесконтактного измерения температуры;
• системы отслеживания уровня влажности;
• применяются для обнаружения углекислых газов;
• в приборах инфракрасных анализаторах газов;
• используется в датчиках обрыва бумажной ленты в типографии или в бумажной промышленности;
• в промышленной электронике подключение фоторезистора может применяться для автоматического подсчета изделий, которые двигаются по транспортерной ленте.

Соответственно, исходя из того что будет управляться таким резистором, рассчитываются и его параметры.

Для примера, как на практике используется этот элемент, посмотрим на схему фотореле, управляющую уличным освещением.

Автоматика уличного освещения

Автоматы, включающие уличное освещение, способны обнаружить наличие/отсутствие солнечного света.

Вот типичная схема реализации подключения фоторезистора для автоматической активации ночного осветительного прибора.

В общих чертах принцип действия схемы.

С наступлением сумерек и в ночное время сопротивление LDR повышается, что вызывает понижение напряжения на переменном резисторе R2. Транзистор VT1 закрыт, а VT2 открывается и таким образом подается напряжение на реле включающее лампу.

Это вполне рабочая схема фотореле, но ее основной недостаток — отсутствие гистерезиса. Это вызывает кратковременное дребезжание реле в сумеречное время, когда присутствует незначительные изменения в освещенности.

Эта электронная деталь помогает отследить степень освещенности окружающей среды.

Датчики наличия других условий

В полиграфической промышленности конструкции на специальном фоторезисторе отслеживают обрыв бумажного рулона. Так же с их помощью можно вести подсчет бумажных листов на конвейере.

Подключение фоторезистора к ардуино

Датчики освещенности, которые могут использовать фоторезисторы могут быть реализованы своими руками на базе плат ардуино.

Самодельный модуль дает возможность держать под контролем уровень освещенности и прореагировать на его изменение.

Имея на руках такую плату Arduino, легко реализовать такие проекты как:

• датчик освещения;
• для включения/выключения реле;
• запускает двигатели и так далее.

Перед вами типичный пример применения детектора освещенности на базе платы Arduino.

Характеристики и параметры фотодиодов

Фотодиоды удобно характеризовать семейством вольт-амперных характеристик, соответствующих различным световым потокам (световой поток измеряется в люменах, лм) или различным освещенностям (освещенность измеряется в люксах, лк).

Обратимся к вольт-амперным характеристикам (ВАХ) фотодиода (рис. 1.127).

Пусть вначале световой поток равен нулю, тогда ВАХ фотодиода фактически повторяет ВАХ обычного диода. Если световой поток не равен нулю, то фотоны, проникая в область p-n-перехода, вызывают генерацию пар электрон-дырка. Под действием электрического поля p-n-перехода носители электрода движутся к электродам (дырки — к электроду слоя p, электроны — к электроду слоя n ).

На практике фотодиоды используют и в так называемом режиме фотогенератора (фотогальванический режим, вентильный режим), и в так называемом режиме фотопреобразователя (фотодиодный режим).

Абрамян Евгений Павлович

Доцент кафедры электротехники СПбГПУ

Задать вопрос

Режим фотогенератора имеет место при u > 0 и i

Режим фотопреобразователя соответствует соотношениям u < 0 и i < 0 (третий квадрант). В этом режиме фотодиод потребляет энергию ( u · i > 0) от некоторого обязательно имеющегося в цепи внешнего источника напряжения (рис. 1.128).

Графический анализ этого режима выполняется при использовании линии нагрузки, как и для обычного диода. При этом характеристики обычно условно изображают в первом квадранте (рис. 1.129).

Фотодиоды являются более быстродействующими приборами по сравнению с фоторезисторами. Они работают на частотах 107 — 1010 Гц. Фотодиод часто используется в оптопарах светодиод-фотодиод. В этом случае различные характеристики фотодиода соответствуют различным токам светодиода (который при этом создает различные световые потоки). Изобразим соответствующие току светодиода 20 мА характеристики фотодиода, входящего в оптопару АОД112А-1 (рис. 1.130, а).

При этом ток i и напряжение u фотодиода соответствуют обычным для диодов условно-положительным направлениям (рис. 1.130,6).

Определение фототранзистор и фототиристор

Свойства фототиристора подобны свойствам обычного тиристора, однако с той лишь особенностью, что включение тиристора осуществляется не с помощью импульса тока управления, а с помощью светового импульса.

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.

Нежелательные и желаемые эффекты фотодиода

Любой p – n-переход, если он освещен, потенциально является фотодиодом. Полупроводниковые устройства, такие как диоды, транзисторы и ИС, содержат p – n-переходы и не будут правильно работать, если они будут освещены нежелательным электромагнитным излучением (светом) с длиной волны, подходящей для создания фототока. Этого можно избежать, заключив устройства в непрозрачные корпуса. Если эти корпуса не полностью непрозрачны для излучения высокой энергии (ультрафиолета, рентгеновских лучей, гамма-лучей), диоды, транзисторы и ИС могут работать неправильно. из-за индуцированных фототоков. Фоновое излучение от упаковки также является значительным.Радиационное упрочнение смягчает эти эффекты.

В некоторых случаях эффект действительно нужен, например, чтобы использовать Светодиоды как светочувствительные устройства (см. Светодиод как датчик света) или даже для сбор энергии, затем иногда называли светодиоды и светопоглощающие диоды (ВЕДЕТ).

Принцип работы фототранзистора

Как мы уже говорили ранее, механизм работы фототранзистора во многих аспектах напоминает работу простого транзистора

Однако, здесь следует отметить важное отличие: в нашем приборе электрический ток находится под контролем лишь двух активных контактов

В обычной структуре (с условием, что к фототранзистору не подключено что-то постороннее) оптическое излучение регулирует базовый ток, происходит этот процесс при помощи коллектора. Так как электрический ток оказывается в проводнике лишь после резистора, напряжение прибора определяется оптическим излучением, а если быть точнее – его уровнем. Для усиления сигнала можно подключить устройство к специальному оборудованию. При этом, вывод прибора имеет зависимость от того, какова длина света, который падает и, в свою очередь, управляет усилением постоянного тока в транзисторе.

Стоит отметить, что существует несколько типов фототранзистора: оптический изолятор, оптическое реле и датчики.

1. Оптический изолятор: он напоминает трансформатор, который с помощью электрических контактов блокирует все входы;
2. Оптическое реле или фотореле: оно определяет реакцию прибора, связанную с изменением различных опто-величин;
3. Датчики: они выделяют свет.

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.

Что это такое и где применяется

Фототранзистор – это полупроводниковый прибор оптоволоконного типа, который используется для управления электрическим током при помощи определенного оптического излучения. Эти устройства разработаны на базе обычного транзистора. Их современными аналогами являются фотодиоды, но фототранзисторы лучше подходят для многих современных радио и электронных приборов. По принципу действия, они напоминают также фоторезисторы.

Фото — фототранзистор

В отличие от фотодиодов, у этих полупроводников более высокая чувствительность.

Где используется фототранзистор:

1. Охранные системы (в основном, используются ИК-фототранзисторы);
2. Кодеры;
3. Компьютерные логические системы управления;
4. Фотореле;
5. Автоматическое управление освещения (здесь также используется инфракрасный фото-полупроводник);
6. Датчики уровня и системы подсчета данных.

Нужно отметить, что из-за диапазона Вольт гораздо чаще в подобных системах используются фотодиоды, но фототранзисторы имеют несколько существенных преимуществ:

1. Могут производить больший ток, чем фотодиоды;
2. Эти радиодетали сравнительно очень дешевые;
3. Могут обеспечить мгновенный высокий ток на выходе;
4. Главным достоинством приборов является то, что они могут обеспечить высокое напряжение, чего, к примеру, не сделают фоторезисторы.

При этом данный аналог светодиода имеет существенные недостатки, что делает фототранзистор довольно узкоспециализированной деталью:

1. Многие полупроводниковые устройства выполнены из силикона, они не способны обрабатывать напряжение свыше 1000 вольт.
2. Данные радиодетали очень чувствительны к перепадам напряжения в локальной электрической сети. Если диод не перегорит от скачка напряжения, то транзистор, скорее всего, не выдержит испытания;
3. Фототранзистор не подходит для использования в лампах из-за того, что не позволяет быстро двигаться направленным заряженным частицам.