Фотодиоды фототранзисторы: Фоторезисторы, фотодиоды и фототранзисторы и как их применять

Содержание

Фоторезисторы, фотодиоды и фототранзисторы и как их применять

Датчик — средство измерений, предназначенное для выработки сигнала измерительной информации в форме, удобной для передачи, дальнейшего преобразования, обработки и (или) хранения, но не поддающейся непосредственному восприятию наблюдателем.

Датчики бывают совершенно разными. Они отличаются по принципу действию, логике своей работы и физическим явлениям и величинам на которые они способны реагировать. Датчики света используются не только в аппаратуре автоматического управления освещением, они используются в огромном количестве устройств, начиная от блоков питания, заканчивая сигнализациями и охранными системами.

Основные виды фотоэлектронных приборов. Общие сведения

Фотоприёмник в общем смысле – это электронный прибор, который реагирует на изменение светового потока падающего на его чувствительную часть. Они могут отличаться, как по своей структуре, так и принципу работы. Давайте их рассмотрим.

Фоторезисторы – изменяют сопротивление при освещении

Фоторезистор – фотоприбор изменяющий проводимость (сопротивление) в зависимости от количества света падающего на его поверхность. Чем интенсивнее освещенность чувствительной области, тем меньше сопротивления. Вот его схематическое изображение.

Состоит он из двух металлических электродов, между которыми присутствует полупроводниковый материал. Когда световой поток попадает на полупроводник, в нём высвобождаются носители заряда, это способствует прохождению тока между металлическими электродами.

Энергия светового потока тратится на преодоление электронами запрещенной зоны и их переходу в зону проводимости. В качестве полупроводника у фоторезисторов используют материалы типа: Сульфид Кадмия, Сульфид Свинца, Селенит Кадмия и другие. От типа этого материала зависит спектральная характеристика фоторезистора

Интересно:

Спектральная характеристика содержит информацию о том, к каким длинам волн (цвету) светового потока наиболее чувствителен фоторезистор. Для некоторых экземпляров приходится тщательно подбирать излучатель света соответствующей длины волны, для достижения наибольшей чувствительности и эффективности работы.

Фоторезистор не предназначен для точного измерения освещенности, а, скорее, для определения наличия света, по его показаниям можно определить светлее или темнее стала окружающая среда. Вольт-амперная характеристика фоторезистора выглядит следующим образом.

На ней изображена зависимость тока от напряжения при различных величинах светового потока: Ф – темнота, а Ф3 – это яркий свет. Она линейна. Еще одна важная характеристика – это чувствительность, она измеряется в мА(мкА)/(Лм*В). Что отражает, сколько тока протекает через резистор, при определенном световом потоке и приложенном напряжении.

Темновое сопротивление – это активное сопротивление при полном отсутствии освещения, обозначается Rт, а характеристика Rт/Rсв – это кратность изменения сопротивления от состояния фоторезистора в полном отсутствии освещения к максимально освещенному состоянию и минимально возможному сопротивлению соответственно. (-5) с. Это не позволяет использовать его там, где нужно высокое быстродействие.

Фотодиод – преобразует свет в электрический заряд

Фотодиод – элемент, который преобразует свет, попадающий на чувствительную зону, в электрический заряд. Это происходит потому что при облучении в p-n переходе протекают различные процессы связанные с движением носителей заряда.

Если на фоторезисторе изменялась проводимость из-за движения носителей заряда в полупроводнике, то здесь происходит образование заряда на границе p-n перехода. Он может работать в режиме фотопреобразователя и фотогенератора.

По структуре он такой же, как и обычный диод, но на его корпусе есть окно для прохождения света. Внешне они бывают в различных исполнениях.

Фотодиоды с черным корпусом воспринимают только ИК-излучение. Черное покрытие – это что-то похожее на тонировку. Фильтрует ИК-спектр, чтобы исключить возможность срабатывания на излучения других спектров.

У фотодиодов, как и у фоторезисторов есть граничная частота, только здесь она на порядки больше и достигает 10 МГц, что позволяет обеспечить неплохое быстродействие. P-i-N фотодиоды обладают большим быстродействием – 100МГц-1ГГц, как и диоды на основании барьера Шоттки. Лавинные диоды имеют граничную частоту в порядка 1-10 ГГц.

В режиме фотопреобразователя такой диод работает как ключ управляемый светом, для этого его подключают в цепь в прямом смещении. То есть, катодом к точке с более положительным потенциалом (к плюсу), а анодом к более отрицательному (к минусу).

Когда диод не освещается светом – в цепи протекает только обратный темновой ток Iобрт (единицы и десятки мкА), а когда диод освещен к нему добавляется фототок, который зависит только от степени освещенности (десятки мА). Чем больше света – тем больше ток.

Фототок Iф равен:

Iф=Sинт*Ф,

где Sинт – интегральная чувствительность, Ф – световой поток.

Типовая схема включения фотодиода в режиме фотопреобразователя. Обратите внимание на то, как он подключен – в обратном направлении по отношению к источнику питания.

Другой режим – генератор. При попадании света на фотодиод на его выводах образуется напряжение, при этом токи короткого замыкания в таком режиме равняются десятки ампер. Это напоминает работу элементов солнечной батареи, но имеют малую мощность.

Фототранзисторы – открываются от количества падающего света

Фототранзистор – это по своей сути биполярный транзистор у которого вместо вывода базы есть в корпусе окошко для попадания туда света. Принцип работы и причины этого эффекта аналогичны с предыдущими приборами. Биполярные транзисторы управляются количеством тока протекающего через базу, а фототранзисторы по аналогии управляются количеством света.

Иногда на УГО еще дополнительно изображается вывод базы. Вообще напряжения на фототранзистор подают также как и на обычный, а второй вариант включения – с плавающей базой, когда базовый вывод остаётся незадействованным.

В схему включают фототранзисторы подобным образом.

Или меняют местами транзистор и резистор, смотря, что конкретно вам нужно. При отсутствии света через транзистор протекает темновой ток, который образуется из тока базы, который вы можете задать сами.

Задав необходимый ток базы, вы можете выставить чувствительность фототранзистора подбором его базового резистора. Таким образом, можно улавливать даже самый тусклый свет.

В советское время радиолюбители делали фототранзисторы своими руками – делали окошко для света, спилив обычному транзистору часть корпуса. Для этого отлично подходят транзисторы типа МП14-МП42.

Из вольтамперной характеристики видна зависимость фототока от освещения, при этом он практически не зависит от напряжения коллектор-эмиттер.

Кроме биполярных фототранзисторов существуют и полевые. Биполярные работают на частотах 10-100 кГц, то полевые более чувствительны. Их чувствительность достигает нескольких Ампер на Люмен, и более «быстрые» — до 100 мГц. У полевых транзисторов есть интересная особенность, при максимальных значениях светового потока напряжение на затворе почти не влияет на ток стока.

Области применения фотоэлектронных приборов

В первую очередь следует рассмотреть более привычные варианты их применения, например автоматическое включение света.

Схема, изображенная выше – это простейший прибор для включения и выключения нагрузки при определенной освещенности. Фотодиод ФД320 При попадании на него света открывается и на R1 падает определенное напряжение, когда его величина достаточна для открытия транзистора VT1 – он открывается, и открывает еще один транзистор – VT2. Эти два транзистора – это двухкаскадный усилитель тока, необходим для запитки катушки реле K1.

Диод VD2 – нужен для гашения ЭДС-самоиндукции, которое образуется при переключениях катушки. На подводящий контакт реле, верхний по схеме, подключается один из проводов от нагрузки (для переменного тока – фаза или ноль).

У нас есть нормально замкнутый и разомкнутый контакты, они нужны либо для выбора включаемой цепи, либо для выбора включить или отключить нагрузку от сети при достижении необходимой освещенности. Потенциометр R1 нужен для подстройки прибора для срабатывания при нужном количестве света. Чем больше сопротивление – тем меньше света нужно для включения схемы.

Вариации этой схемы используют в большинстве подобных приборов, при необходимости добавляя определенный набор функций.

Кроме включения нагрузки по освещенности подобные фотоприемники используются в различных системах контроля, например на турникетах метро часто используют фоторезисторы для определения несанкционированного (зайцем) пересечения турникета.

В типографии при обрыве полосы бумаги свет попадает на фотоприемник и тем самым даёт сигнал оператору об этом. Излучатель стоит по одну сторону от бумаги, а фотоприемник с обратной стороны. Когда бумага рвётся, свет от излучателя достигает фотоприемника.

В некоторых видах сигнализации используются в качестве датчиков входа в помещение излучатель и фотоприемник, при этом, чтобы излучение не были видны используют ИК-приборы.

Касаемо ИК-спектра, нельзя упомянуть о приемнике телевизора, на который поступают сигналы от ИК-светодиода в пульте дистанционного управления, когда вы переключаете каналы. Специальным образом кодируется информация и телевизор понимает, что вам нужно.

Информация таким образом ранее передавалась через ИК-порты мобильных телефонов. Скорость передачи ограничена, как последовательным способом передачи, так и принципом работы самого прибора.

В компьютерных мышках также используется технология связанная с фотоэлектронными приборами.

Применение для передачи сигналов в электронных схемах

Оптоэлектронные приборы – это приборы которые объединяют в одном корпусе излучатель и фотоприемник, типа описанных выше. Они нужны для связи двух контуров электрической цепи.

Это нужно для гальванической развязки, быстрой передачи сигнала, а также для соединения цепей постоянного и переменного тока, как в случае управления симистором в цепи 220 В 5 В сигналом с микроконтроллера.

Они имеют условно-графическое обозначение, которое содержит информацию о типе используемых внутри оптопары элементов.

Рассмотрим пару примеров использования таких приборов.

Управление симистором с помощью микроконтроллера

Если вы проектируете тиристорный или симисторный преобразователь вы столкнетесь с проблемой. Во-первых, если переход у управляющего вывода пробьет – на пин микроконтроллера попадет высокий потенциал и последний выйдет из строя. Для этого разработаны специальные драйверы, с элементом, который называется оптосимистор, например MOC3041.

Обратная связь с помощью оптопары

В импульсных стабилизированных блоках питания необходима обратная связь. Если исключить гальваническую развязку в этой цепи, тогда в случае выхода из строя каких-то компонентов в цепи ОС, на выходной цепи возникнет высокий потенциал и подключенная аппаратура выйдет из строя, я не говорю о том, что и вас может ударить током.

В конкретном примере вы видите реализацию такой ОС из выходной цепи в обмотку обратной связи (управляющую) транзистора с помощью оптопары с порядковым обозначением U1.

Выводы

Фото- и оптоэлектроника это очень важные разделы в электроники, которые значительно улучшили качество аппаратуры, её стоимость и надёжность. С помощью оптопары можно исключить использование развязывающего трансформатора в таких цепях, что уменьшает массогабаритные показатели. Кроме того некоторые устройства просто невозможно реализовать без таких элементов.

Ранее ЕлектроВести писали о фотодатчиках и их применении.

По материалам electrik.info.

40) Фоторезисторы. Фотодиоды. Фототранзисторы. Особенности применения. Характеристики.

Схемы
включения и применение фотоэлектронных
приборов

Фотоэлектронные
(фотоэлектрические) приборы предназначены
для преобразования световой энергии
в электрическую.

Все
полупроводниковые фотоэлектрические
приборы основаны на внутреннем
фотоэффекте — возбуждении атомов и
росте концентрации свободных носителей
заряда под воздействием светового
излучения. При этом в полупроводнике
растет проводимость, а на p-n переходах
появляется ЭДС.

К
фотоэлектронным приборам относятся
фоторезисторы, фотодиоды, фототранзисторы
и фототиристоры.

Фоторезистор —
это полупроводниковый фотоэлектрический
прибор, сопротивление которого изменяется
под действием светового излучения. На
рис. 1 показана схема включения
фоторезистора и его характеристики.

Рис.2. Схема включения фоторезистора (а),
УГО (б), энергетическая
(в) и вольт-амперная (г) характеристики фоторезистора.

Фоторезисторы,
как и другие фотоэлектрические приборы,
характеризуются световой
характеристикой,
т.е. зависимостью фототока , протекающего
через прибор от светового потока . Она
нелинейная и это является недостатком
фоторезистора. ВАХ фоторезистора
линейны, а их наклон зависит от величины
светового потока.

Фоторезисторы
могут работать и на переменном токе.
Фоторезисторы являются самыми простыми
и дешевыми фотоэлектрическими приборами.

Фотодиод —
это полупроводниковый фотоэлектрический
прибор, основанный на внутреннем
фотоэффекте, содержащий один p-n переход
и имеющий два вывода.

Фотодиоды
могут работать в двух режимах: без
внешнего источника электроэнергии
(режим
фотогенератора)
и с внешним источником (режим
фотопреобразователя).
На рис. 2, а, б показаны
схемы включения.

Излучающий диод (слева)
должен быть включен
в прямом направлении, а фотодиод — в прямом
(режим фотогенератора)
или в обратном направлении
(режим фотопреобразователя).

ВАХ
фотодиода в темноте не отличаются от
ВАХ p-n перехода
(рис. 2 г),
а при освещении опускается вниз. Режиму
фотопреобразователя соответствуют
участки в третьем квадранте, а режиму
фотогенератора — в четвертом.

Фотодиоды
имеют большее быстродействие, чем
фоторезисторы (работоспособны при
частоте 1 гГц и выше), но менее чувствительны.

С
целью повышения чувствительности
вместо фотодиодов применяют
фототранзисторы.

Фототранзистор —
фотоэлектронный прибор, имеющий
трехслойную структуру, как обычный
транзистор, в котором ток зависит от
освещения базы. Схема включения Рис.
3. Схема включения фототранзистора
показана на рис. 3. Они имеют линейную
световую характеристику, а выходные
ВАХ аналогичны ВАХ обычного транзистора,
включенного по схеме с общим эмиттером,
но в качестве параметра вместо тока
базы выступает световой поток.
Чувствительность фототранзисторов
достигает 1 А/лм. Параметры фототранзисторов
существенно зависят от температуры.

Волоконно-оптические
датчики (так же часто именующиеся
оптические волоконные датчики) это
оптоволоконные устройства для
детектирования некоторых величин,
обычно температуры или механического
напряжения, но иногда так же смещения,
вибраций, давления, ускорения, вращения
(измеряется с помощью оптических
гироскопов на основе эффекте Саньяка),
и концентрации химических веществ.
Общий принцип таких устройств в том,
что свет от лазера (чаще всего одномодового
волоконного лазера) или суперлюминесцентного
оптического источника передается через
оптическое волокно, испытывая слабое
изменение своих параметров в волокне
или в одной или нескольких брэгговских
решетках, и затем достигает схемы
детектирования, которая оценивает эти
изменения.

волокно-оптические
датчики обладают следующими преимуществами:

· Они
состоят из электрически непроводящих
материалов (не требуют электрических
кабелей), что позволяет использовать
их, например, в местах с высоким
напряжением.

· Их
можно безопасно использовать во
взрывоопасной среде, потому, что нет
риска возникновения электрической
искры, даже в случае поломки.

· Они
не подвержены электромагнитным помехам
(EMI), даже вблизи разряда молнии, и сами
по себе не электризуют другие устройства.

· Их
материалы могут быть химически инертны,
то есть не загрязняют окружающую среду,
и не подвержены коррозии.

· Они
имеют очень широкий диапазон рабочих
температур (гораздо больше, чем у
электронных устройств).

· Они
имеют возможность мультиплексирования;
несколько датчиков в одиночной волоконной
линии может быть интегрировано с одним
оптическим источником (см. ниже).

работа
в жестких условиях, таких как зондирование
в устройствах с высоким напряжением,
или в СВЧ печах. Сенсоры на основе
брэгговских решеток могут также быть
использованы, например, для мониторинга
условий, внутри крыльев самолетов, в
ветровых турбинах, мостах, больших
плотинах, нефтяных скважинах, и
трубопроводах.

Основная разница между фотодиодом и фототранзистором

Фотодиод и фототранзистор часто путают друг с другом из-за сходного действия. Оба являются полупроводниковыми компонентами, используемыми для измерения интенсивности света и преобразования его в электрический сигнал, но они совершенно разные.

Прежде чем перейти к списку различий между фотодиодом и фототранзистором, давайте сначала обсудим их основы.

Связанный пост: Разница между светодиодом и фотодиодом?

Содержание

Что такое фотодиод?

Фотодиод — это светочувствительный диод, преобразующий световую энергию в электрическую. Изготавливается из кремния или германия. Это устройство с одним PN-переходом, работающее по принципу фотоэлектрического эффекта.

Фотодиод имеет такую же конструкцию, как и обычный диод с PN-переходом, за исключением того, что переход подвергается воздействию света. Линза используется для фокусировки света на стыке. Когда свет попадает на переход, он создает электронно-дырочную пару, которая течет в противоположном направлении к аноду и катоду. В результате через подключенную цепь протекает ток, называемый фототоком.

Фотодиод предназначен для работы при обратном смещении.

Характеристики фотодиода

Это светочувствительный диод с PN-переходом.
Преобразует световую энергию в электрическую.
Имеет две клеммы; анод и катод.
Он имеет структуру, аналогичную обычному диоду с PN-переходом, за исключением светочувствительного открытого перехода.
Может использоваться как при прямом, так и при обратном смещении.
Он производит как напряжение, так и ток.
В основном используется в солнечных элементах для питания электрооборудования от солнечной энергии.

Похожие сообщения:

Фотодиод – символ, типы, конструкция, работа и применение
Светодиод – светоизлучающий диод: конструкция, работа, типы и применение

Что такое фототранзистор?

Фототранзистор — это светочувствительный транзистор, который используется для усиления фотоэлектрического тока, генерируемого при преобразовании световой энергии. Это двух- или трехконтактное устройство в зависимости от конструкции. Это может быть либо BJT (биполярный переходной транзистор), либо FET (полевой транзистор), состоящий из трех слоев.

Имеет три области; эмиттер, коллектор и базовая область. Область коллектора имеет большую площадь по сравнению с обычным BJT. Базовая область подвергается воздействию света. Свет попадает в базовую область через линзу, которая также фокусирует свет. Частицы фотонов попадают на переход и освобождают электронно-дырочную пару из-за фотоэлектрического эффекта. Пара электрон-дырка генерирует базовый ток, который усиливается транзистором.

Выходной ток или ток коллектора зависит от тока базы, величина которого зависит от интенсивности света. Следовательно, ток коллектора прямо пропорционален интенсивности света, попадающего на транзистор.

Имеет два PN-перехода, похожих на BJT-транзистор.

Особенности фототранзистора

Это светочувствительный транзистор, который усиливает ток, генерируемый световой энергией.
Преобразует световую энергию в электрическую, а также усиливает ее.
Имеет две или три клеммы в зависимости от конструкции.
Он имеет структуру, аналогичную транзистору, за исключением того, что у него есть светочувствительная базовая область.
Подключается только в прямом направлении.
Он имеет усиление по току, которое усиливает ток, генерируемый светом.
Благодаря коэффициенту усиления имеет очень высокую чувствительность
Для работы требуется источник питания.
В основном используется для обнаружения или определения интенсивности света.

Ключевые различия между фотодиодом и фототранзистором

Фотодиод	Фототранзистор
Фотодиод представляет собой полупроводниковый компонент, преобразующий световую энергию в электрическую.	Фототранзистор представляет собой полупроводниковый компонент, который усиливает ток, генерируемый световой энергией.
В основном это светочувствительный диод с PN-переходом с открытым или открытым переходом для света.	По сути, это светочувствительный биполярный транзистор с открытой базой.
Изготовлен из двух слоев полупроводникового материала	Изготовлен из 3 слоев полупроводникового материала
Состоит из одинарного соединения PN.	Он имеет два соединения PN для формирования структуры NPN или PNP.
Имеет только две клеммы, т.е. анод и катод.	Имеет две или три клеммы в зависимости от конструкции.
Может быть настроен на прямое и обратное смещение.	Используется при прямом смещении.
Он только преобразует световую энергию в электрический ток.	Также усиливает ток с помощью внешнего источника.
Обладает меньшей чувствительностью по сравнению с фототранзистором.	Благодаря коэффициенту усиления он более чувствителен.
Быстрое время отклика.	Относительно медленное время отклика.
Для работы не требуется источник питания.	Для работы требуется источник питания с правильным смещением.
Генерирует ток и напряжение.	Генерирует только ток.
Это дешево.	Дороже фотодиода.
Фотодиод используется для преобразования солнечной энергии в электрическую с помощью солнечных элементов.	Фототранзисторы используются для восприятия света в датчиках света.

Сравнение

между фотодиодом и фототранзистором

Определение

Фотодиод — это полупроводниковый компонент, преобразующий световую энергию в электрическую.
Фототранзистор представляет собой полупроводниковый компонент, который усиливает ток, генерируемый световой энергией.

Назначение

Фотодиод используется для преобразования света или солнечной энергии в электрическую.
Фототранзистор используется для восприятия света.

Структура

Фотодиод состоит из 2 слоев полупроводника, образующих структуру PN.

Фототранзистор

состоит из 3 чередующихся слоев полупроводника, образующих структуру NPN или PNP.

Клеммы

Фотодиод имеет только две клеммы анод и катод.
Фототранзистор имеет три вывода; эмиттер, база и коллектор.

Смещение

Фотодиод может быть подключен как с прямым, так и с обратным смещением.
Фототранзистор подключается только при прямом смещении.

Выход

Выход фотодиода как по току, так и по напряжению
Выход фототранзистора только ток.

Чувствительность

Фотодиоды менее чувствительны по сравнению с фототранзисторами.

Фототранзистор

гораздо более чувствителен из-за коэффициента усиления.

Время отклика

Фотодиод имеет очень быстрое время отклика.
Фототранзистор имеет относительно более медленное время отклика.

Стоимость

Фотодиод дешевый. Для работы не требуется дополнительный источник питания. Вместо этого он действует как источник энергии.
Фототранзистор стоит дорого. Также требуется дополнительный источник питания с правильным смещением для обнаружения света.

Применение

Фотодиод в основном используется для преобразования солнечной энергии в электрическую, но также используется для восприятия света в таких приложениях, как оптоволоконная связь, счетчик объектов и т. д.
Фототранзисторы в основном используются для обнаружения света и находят применение в принтерах, компакт-дисках, пультах дистанционного управления, реле и т. д.

Похожие сообщения:

Разница между термистором и термопарой
Разница между датчиком и приводом
Разница между датчиком и преобразователем
Разница между Clipper и Clipper Circuit
Разница между транзистором и тиристором (SCR)?
Разница между активными и пассивными компонентами
Разница между JFET и MOSFET
Основное различие между Clipper и Clipper Circuit
Разница между D-MOSFET и E-MOSFET
Разница между BJT и FET транзисторами
Разница между RTD и термопарой

Показать полную статью

Связанные статьи

Кнопка «Вернуться к началу»

Фототранзистор или фотодиод: какой детектор лучше?

Автор ZM Peterson • 21 января 2020 г.

Вашей следующей оптической системе для точных измерений интенсивности потребуется детектор определенного типа. Фотодиоды и фототранзисторы являются обычным выбором для этих приложений, хотя они обеспечивают разные типы реакции на падающий свет.

Если вам необходимо провести измерения интенсивности, фототранзистор или фотодиод — отличный выбор в качестве оптического детектора. Выбор между фототранзистором и фотодиодом зависит от конкретного приложения, но в некоторых отношениях они взаимозаменяемы. Вот что вам нужно знать о выборе фотодиода или фототранзистора в качестве детектора для вашего следующего оптического продукта.

Работа фототранзистора и фотодиода

Все фототранзисторы и фотодиоды выполняют одну и ту же функцию: они принимают входящий свет и преобразуют его в электричество. Это происходит за счет того же явления, что и в фотоэлектрических элементах: входящие фотоны возбуждают носители заряда до более высокого уровня энергии, и носители заряда могут быть извлечены в компонент/цепь нагрузки. Фототранзисторы и фотодиоды являются аналогами обычных транзисторов и диодов.

Конструкции этих устройств аналогичны их электрическим аналогам с точки зрения легирования. Фотодиоды имеют структуру, аналогичную обычному диоду, где в устройстве используется p-n, p-i-n или аналогичный профиль легирования. Фототранзистор обычно изготавливается как биполярный транзистор NPN или PNP или как полевой транзистор. Встроенное в материал напряжение используется для извлечения носителей заряда, как в обычном диоде или транзисторе.

Материалы для фототранзисторов и фотодиодов

Оба элемента схемы предназначены для работы в диапазоне длин волн, и этот диапазон возможных рабочих длин волн может быть довольно широким для обычных полупроводниковых материалов. Фототранзисторный или фотодиодный датчик будет иметь спектр чувствительности, который зависит от спектра поглощения материалов, используемых для изготовления устройства. Спектр поглощения этих материалов обычно модифицируют с помощью стандартных процессов легирования. Некоторые распространенные материалы и их полезные длины волн:

Материалы группы IV (Si и Ge): Si обычно используется для ближнего ИК (ММП длины волны) и видимого света. Si имеет непрямую ширину запрещенной зоны 1,1 эВ, поэтому край поглощения составляет ~ 1100 нм. Пересыщенное легирование может быть одним из методов увеличения поглощения кремниевых фотодиодов до длин волн SMF. Ge дороже, чем Si, но он чувствителен до 1600 нм благодаря более узкой прямой запрещенной зоне. Ge-устройства имеют более низкое сопротивление шунта, чем другие материалы фотодиодов/фототранзисторов, что приводит к большему тепловому шуму в выходном токе. Следовательно, использование с длинами волн SMF менее желательно.
Материалы III-V (InGaAs, GaAs, GaAlAs и InAs): InGaAs — это распространенный материал для фототранзисторов и фотодиодов, чувствительный до ~2600 нм. Чувствительность и низкая емкость перехода (<1 нФ) делают фотодиоды InGaAs стандартным выбором для детекторов с высокой скоростью передачи данных в оптоволоконных линиях SMF (1310 и 1550 нм). Нестехиометрический In(1-x)GaxAs обычно используется для настраиваемого фотонного отклика, когда увеличение содержания Ga в тройном сплаве увеличивает ширину запрещенной зоны. Поглощение в GaAlAs также варьируется от 1,42 эВ (GaAs) до 2,16 эВ (AlAs) в зависимости от стехиометрии. Наконец, InAs следует использовать, когда вашей системе требуется чувствительность к глубоким длинам волн ИК-диапазона (~ 3800 нм).
Материалы II-VI: Этот класс материалов включает кандидатов для будущих электронно-фотонных интегральных схем (EPIC), и исследования в этой области очень активны, и еще неизвестно, станут ли материалы II-VI широко коммерциализированы и используется в серийно выпускаемых схемах EPIC.

Фототранзистор и фотодиодные схемы

Эти два элемента схемы по-разному вводятся в реальную схему. Их также можно интегрировать в матричные детекторы (например, КМОП-детекторы или ПЗС-матрицы), где необходимые элементы схемы реализованы на кристалле. Если вы работаете с настраиваемой системой, в которой используются дискретные компоненты, вам потребуется использовать определенные схемы для работы с каждым типом детектора.

Схемы фототранзисторов

Фототранзистор может быть подключен к общему коллектору, общему эмиттеру или другой стандартной конфигурации транзистора для отбора тока. Когда на устройство не падает свет, они работают так же, как и любой другой транзистор (как устройство с 3 выводами). Как только свет падает на устройство, он поглощается основанием. Это эквивалентно увеличению базового тока в устройстве. Из-за этого фототранзистор может работать как 2-выводное устройство (т. Е. С плавающим соединением базы). При работе в качестве устройства с 3 выводами выходной ток можно модулировать, регулируя базовое напряжение (для устройств NPN или PNP) или напряжение затвора (для устройств с полевыми транзисторами).

Схемы фототранзисторов NPN

При работе в качестве устройства с 3 выводами выходной ток, наблюдаемый на нагрузке, можно модулировать, регулируя входной базовый ток. Это означает, что устройство действует как переключатель со встроенным порогом. Когда падающий свет достаточно интенсивен, а ток, посылаемый от источника к базе, достаточно велик, напряжение база-эмиттер изменяется, и ток может легко проходить через устройство. Однако это можно подавить, снизив общий ток базы, что требует регулировки внешнего смещения на базе. Такое поведение при переключении делает фототранзисторы полезными в ряде приложений, требующих измерения состояния ВКЛ или ВЫКЛ, а не конкретного измерения интенсивности.

Схемы фотодиодов

Фотодиод в реальной схеме может работать в фотогальваническом режиме (при работе с прямым смещением) или в режиме фотодиода (при работе с обратным смещением). Фотодиоды работают с обратным смещением, поскольку это обеспечивает линейную характеристику, а диапазон чувствительности может быть довольно большим. Выходной ток может быть направлен непосредственно на нагрузку или на схему усилителя. Если вы хотите преобразовать вход обратно в поток прямоугольных импульсов, просто отправьте выход усилителя на компаратор.

Лавинные фотодиоды также доступны и всегда предназначены для работы со смещением, очень близким к обратному напряжению пробоя. Как только свет падает на устройство, количество фотогенерируемых носителей умножается на внешнее смещение, поскольку напряжение устройства выходит за пределы напряжения пробоя. Это дает усиление во время освещения. Эти фотодиоды предназначены для работы при пробое и полезны для обнаружения слабых оптических сигналов.

Фотодиод вместе с усилителем и аналого-цифровым преобразователем (АЦП) также может использоваться для приема цифровых данных, закодированных в амплитудно-модулированных или ШИМ оптических импульсах. В случае ШИМ вам нужно будет учитывать пропускную способность вашего фотодиода и усилителя, поскольку это ограничивает максимальную скорость передачи данных. Фотодиоды имеют время отклика, которое связано с их конечной емкостью. Максимальная частота отклика обычно принимается как частота излома для цифрового импульса с определенным временем нарастания, которое равно 0,35/(время отклика).

Фотодиодная схема с операционным усилителем.

Моделирование и построение линии нагрузки

В обоих типах устройств вы можете моделировать входной свет в устройство, просто добавляя источник тока к базовой клемме (в фототранзисторе) или к верхней стороне устройства (для фотодиод). Это позволяет легко использовать эти устройства в моделировании цепей и исследовать их вместе с другими компонентами. Вы также должны имитировать согласование импедансов в своих схемах, особенно при работе с быстрыми импульсами данных.

Важным моментом при проектировании схемы фототранзистора или фотодиода является определение линии нагрузки. Это говорит вам о диапазоне интенсивностей входного света, который будет давать линейный выходной сигнал. Точно так же он расскажет вам, как изменяется линейный диапазон в зависимости от импеданса нагрузки. Для фототранзистора линия нагрузки будет выглядеть так же, как и для обычного транзистора. Для фотодиода линия нагрузки сильно отличается и выглядит как линия нагрузки, которую рисуют для солнечного элемента.

Линии нагрузки для фотодиода (слева) и фототранзистора (справа).

Эти графики могут быть получены путем моделирования или измерены для различных импедансов нагрузки и значений смещения. Если вы хотите, чтобы ваш фототранзистор работал как оптический переключатель, его нужно запустить в области насыщения. Это приведет к насыщению выходного тока при попадании света на устройство. Напротив, фотодиод не насыщается, хотя он будет демонстрировать нелинейный отклик, когда интенсивность падающего света станет достаточно высокой.

Если вам нужна фирма, предоставляющая услуги по проектированию печатных плат с большим опытом проектирования оптических систем, не ищите ничего, кроме NWES. Мы поможем вам выбрать фототранзистор или фотодиод для вашей оптической системы и спроектируем электронику, необходимую для ее поддержки. От LIDAR до чувствительных спектральных измерений, у нас есть большой опыт в ряде областей применения.

Фотодиоды фототранзисторы: Фоторезисторы, фотодиоды и фототранзисторы и как их применять