цифровая электроника
вычислительная техника
встраиваемые системы

 
» » Введение в принцип работы фотодиодов: природа света и pn-переходы


Введение в принцип работы фотодиодов: природа света и pn-переходы

Автор: Mike(admin) от 23-12-2020, 23:55

Фотодиоды – это измерительные устройства, которые вырабатывают электрические сигналы в ответ на различные типы высокочастотного электромагнитного излучения – окружающий свет, свет, сфокусированный линзой камеры, лазерные сигналы, используемые в системах связи, тепловое излучение и т. д. Для того, чтобы эффективнее использовать фотодиоды в своих разработках, стоит более подробно изучить их принцип работы и природу явлений, влияющих на их работу.


Введение в принцип работы фотодиодов: природа света и pn-переходы

Для понимания работы фотодиода, нужно сначала понять – что такое свет? Если вы изучали квантовую механику, то знаете, что этот вопрос не так прост, как кажется. К счастью, нам не нужно разгадывать тайны Вселенной, чтобы успешно интегрировать фотодиоды в наши электронные системы. Однако нам необходимо иметь базовое научное понимание света.


Электромагнитное излучение (ЭМИ) распространяется как волна и также состоит из безмассовых частиц, называемых фотонами. Мы классифицируем электромагнитные волны по их длине волны. Свет – это просто ЭМИ, которое попадает в определенный диапазон длин волн.


Если мы примем строгую интерпретацию слова «свет», мы будем ассоциировать это слово только с длинами оптических волн, то есть длинами волн света, к которым чувствителен человеческий глаз. Длины оптических волн простираются от 400 до 700 нм, причем разные длины волн соответствуют разным цветам. Как вы можете видеть на следующей диаграмме, цвета начинаются с фиолетового (у которого самая короткая длина волны) и движутся сквозь радугу к красному (у которого самые длинные волны).


Введение в принцип работы фотодиодов: природа света и pn-переходы

Мы также можем применить слово «свет» к электромагнитному излучению, которое близко, но фактически не находится в оптическом диапазоне. Инфракрасный свет простирается от 700 до 1 мм, а ультрафиолетовый – от 400 до 10 нм. Когда «свет» интерпретируется в этом более широком смысле, мы можем использовать термин «видимый свет», чтобы отличить оптическое ЭМИ от инфракрасного и ультрафиолетового.


Инженеры часто подчеркивают квантовую природу света, потому что фотоны играют важную роль во взаимодействии между светом и электронными схемами. Фотоны передают энергию, и энергия, связанная с отдельным фотоном, определяется длиной волны. ЭМИ с более высокой частотой (или более короткой длиной волны) имеет фотоны с более высокой энергией, а ЭМИ с более низкой частотой (или большей длиной волны) имеет фотоны с более низкой энергией.


Теперь разберемся с тем, что же такое pn-переход. Купите кремний полупроводникового качества (действительно чистый материал). Добавьте в его часть пятивалентного элемента, чтобы получить кремний n-типа, и легируйте его соседнюю часть трехвалентным элементом, чтобы получить кремний p-типа. Перед вами pn-переход – один из столпов постмодернистской цивилизации.


Когда кремниевый pn переход корпусирован и используется в цепи, мы называем его диодом (или кремниевым диодом, если хотите быть более точным). Когда мы реализуем обычные диоды, мы обычно думаем о работе с прямым смещением: диод блокирует ток, когда его напряжение прямого смещения меньше примерно 0,6 В, и он свободно проводит ток, когда его напряжение прямого смещения больше, чем 0,6 В. Однако в случае фотодиодов нас интересует работа с нулевым или обратным смещением. Этот принцип реализации фотодиода очень важен, поэтому давайте обсудим его еще немного, прежде чем мы закончим.


Фотодиод предназначен для генерации тока, который пропорционален интенсивности видимого, инфракрасного или ультрафиолетового света. Технический термин, обозначающий интенсивность света, измеряемую фотодиодом – это освещенность. Фотодиод имеет прозрачный корпус, который позволяет свету достигать pn-перехода, и в правильно спроектированной схеме фотодиода падающий свет будет создавать точные изменения количества тока, протекающего через фотодиод.


Введение в принцип работы фотодиодов: природа света и pn-переходы

Если мы направим смещение фотодиода в точку проводимости, у нас больше не будет оптического детектора. Обнаружение происходит, когда энергия, передаваемая падающими фотонами, существенно влияет на общий ток диода. Ток свободно протекает через диод, проводящий в прямом направлении, независимо от падающего света. Таким образом, схемы фотодиодов спроектированы так, что фотодиод имеет нулевое смещение или обратное смещение. Фотодиод с нулевым смещением работает в фотоэлектрическом режиме, а фотодиод с обратным смещением работает в фотопроводящем режиме.


Таким образом, фотодиоды – это полупроводниковые устройства, которые можно использовать для измерения видимого света, инфракрасного или ультрафиолетового излучения. Кремниевый фотодиод принципиально не отличается от типичного кремниевого выпрямительного диода, но фотодиоды используют преимущества нулевого смещения или обратного смещения pn-перехода.




© digitrode.ru


Теги: фотодиод




Уважаемый посетитель, Вы зашли на сайт как незарегистрированный пользователь.
Мы рекомендуем Вам зарегистрироваться либо войти на сайт под своим именем.

Комментарии:

Оставить комментарий