Fotodioda

Fotodiody jest półprzewodnikowy element posiada zdolność do wychwytywania promieniowania z optycznego domeny i przekształcenie go w sygnał elektryczny .

Generał

Podobnie jak wiele diod w elektronice, składa się ze złącza PN . Ta podstawowa konfiguracja została ulepszona przez wprowadzenie wewnętrznej strefy (I), która ma stanowić fotodiodę PIN . W przypadku braku polaryzacji (zwanej trybem fotowoltaicznym) wytwarza napięcie. Odwrotnie spolaryzowany przez zewnętrzne źródło zasilania (tryb fotoamperyczny), wytwarza prąd. Istnieją 3 różne regiony:

1. strefa ładowania przestrzeń (ZCE) potocznie zwana strefa wyczerpywanie i dyfuzja
2. region neutralny typu N.
3. typu P obojętnych .

Ten element jest optoelektroniczny .

Operacja

Gdy półprzewodnik jest narażony na świetlnego strumienia , na fotony są absorbowane, pod warunkiem że energia fotonu ( ) jest większa niż szerokość pasma zabronionego (E g ). Odpowiada to niezbędnej energii, którą elektron musi zaabsorbować, aby mógł opuścić pasmo walencyjne (gdzie służy do zapewnienia spójności struktury) w kierunku pasma przewodnictwa, czyniąc go tym samym mobilnym i zdolnym do generowania prądu elektrycznego . Istnienie zakazanego pasma pociąga za sobą istnienie progu absorpcji, takiego jak . Podczas absorpcji fotonu mogą wystąpić dwa zjawiska: mipgodz=godzν{\ Displaystyle E_ {ph} = h \ nu}godzν0=misol{\ displaystyle h \ nu _ {0} = E_ {g}}

• Fotoemisja  : wyjścia elektronu z materiału światłoczułego. Elektron może wyjść tylko wtedy, gdy jest wzbudzony blisko powierzchni.
• Fotoprzewodnictwo  : elektron jest uwalniana wewnątrz materiału. Uwolnione w ten sposób elektrony przyczyniają się do przewodnictwa elektrycznego materiału.

Gdy fotony dostaną się do półprzewodnika z wystarczającą energią, mogą tworzyć w materiale nadmiarowe nośniki fotoelektronów ( elektrony i dziury elektronowe ). Obserwuje się wtedy wzrost prądu. Jednocześnie interweniują dwa mechanizmy:

• Powstają nośniki mniejszościowe, to znaczy elektrony w rejonie P i dziury w rejonie N. Prawdopodobnie docierają one do ZCE przez dyfuzję, a następnie są wypychane w kierunku obszarów, w których jest większość. Rzeczywiście, raz w ZCE, gdy polaryzacja jest odwrócona, faworyzowane jest przejście mniejszości w kierunku ich strefy upodobań. W ten sposób nośniki te pomagają tworzyć prąd dyfuzyjny.
• W ZCE generowane są pary dziur elektronowych, które dysocjują pod wpływem pola elektrycznego; elektron łączący się ze strefą N, dziura w strefie P. Prąd ten nazywany jest prądem tranzytowym lub fotoprądem generacji.

Te dwa wkłady są dodawane, aby utworzyć fotoprąd I ph, który jest dodawany do prądu wstecznego złącza. Wyrażenie obecnego przekroczenia skrzyżowania jest zatem: jare=jas(mimisolnieUt-1)-japgodz{\ Displaystyle I_ {d} = I_ {s} (e ^ {E_ {g} \ ponad nU_ {t}} - 1) -I_ {f.}}

Parametry elektryczne

Fotodioda może być reprezentowane przez źródło prądu I pH (w zależności od oświetlenia) równolegle do pojemności przyłączeniowej C j i odporności na bocznikowy R sh od wysokiej wartości (charakteryzujących przepływ prądu), przy czym „razem jest szeregowo z opór wewnętrzny R s  :

• rezystancja bocznikowa: rezystancja bocznikowa idealnej fotodiody jest nieskończona. W rzeczywistości rezystancja ta wynosi od 100 kΩ do 1 GΩ w zależności od jakości fotodiody. Na podstawie tej rezystancji obliczany jest prąd upływu (lub szum) w trybie fotowoltaicznym, to znaczy bez polaryzacji fotodiody.
• pojemność węzła: ta pojemność wynika ze strefy obciążenia; jest odwrotnie proporcjonalna do szerokości ładunku przestrzennego (W) . Gdzie A to powierzchnia cięcia fotodiody. W jest proporcjonalne do odwrotnego polaryzacji, a pojemność maleje wraz ze wzrostem polaryzacji. Ta pojemność oscyluje wokół 100 pF dla słabych polaryzacji do kilkudziesięciu pF dla wysokich polaryzacji.VSjot=δSVSW.W{\ displaystyle C_ {j} = {\ delta _ {SC} \ over W} A}
• opór wewnętrzny: opór ten wynika głównie z odporności podłoża i rezystancji styków. R e może się zmieniać między 10 i 500Ω w zależności od powierzchni fotodiody.

Pozostałe cechy:

• czas odpowiedzi: jest zwykle definiowany jako czas wymagany do osiągnięcia 90% końcowego prądu w fotodiodzie. Ten czas zależy od 3 czynników:
  • t tranzytowy  : czas przejazdu z nośnikami w obszarze ładunku przestrzennego.
  • t dyfuzji  okres użycia nośników w regionach neutralnej.
  • stała czasowa t τ  : stała czasowa obwodu zastępczego (rezystor R S + R C i pojemność C j + C γ ) . W ten sposób stała czasowa jest równa: . Ale za każdym razem trudno jest określić; brany jest pod uwagę tylko czas całkowity. Ogólnie czas nadawania jest wolniejszy niż czas przesyłania.tτ=(RS+RVS)(VSjot+VSγ){\ Displaystyle t _ {\ tau} = (R_ {S} + R_ {C}) (C_ {j} + C _ {\ gamma})}ttrwniesjat2+trejafafausjaonie2+tτ2{\ Displaystyle {\ sqrt {{t_ {tranzyt}} ^ {2} + {t_ {dyfuzja}} ^ {2} + {t _ {\ tau}} ^ {2}}}}
• światłoczułość  : jest definiowana przez i determinuje warunki użytkowania (200 nA / luks dla fotodiod germanu (Ge), 10 nA / luks dla fotodiod krzemowych (Si)). Fotodiody Ge wykazują większą światłoczułość, ale ich ciemny prąd jest zauważalny I 0 = 10 uA. Dlatego zaleca się stosowanie fotodiod Si (I 0 = 10 pA) do wykrywania słabego oświetlenia.Spgodz=ΔjapgodzΔmi{\ displaystyle S_ {ph} = {\ Delta I_ {ph} \ over \ Delta E}}
• efektywność wychwytywania: jest to stosunek liczby ładunków elementarnych przechodzących przez skrzyżowanie do liczby padających fotonów. Sprawność ta zależy od długości fali promieniowania i parametrów konstrukcyjnych elementu. Określa zakres widmowy użycia detektora.

Optymalizacja

Aby uzyskać lepszą wydajność kwantową, większość foto-nośników będzie musiała zostać utworzona w ZCE, gdzie współczynnik rekombinacji jest niski. Oszczędza to czas reakcji fotodiody. Aby osiągnąć ten warunek, fotodioda powinna mieć możliwie cienką powierzchnię czołową. Warunek ten ogranicza jednak ilość pochłanianego promieniowania. Chodzi zatem o kompromis między ilością pochłanianego promieniowania a czasem odpowiedzi fotodiody: ogólnie . W jest szerokością ZCE i α, współczynnikiem pochłaniania. W.≥1α{\ displaystyle W \ geq {1 \ over \ alpha}}

Właśnie dostrzegliśmy korzyść wynikającą z posiadania wystarczająco dużej strefy ładowania przestrzennego, aby w tej strefie powstawał w zasadzie fotoprąd, i dostatecznie cienkiej, aby czas przejścia nie był zbyt duży. Jednak możliwe jest sztuczne zwiększenie przez wstawienie wewnętrznego obszaru I między regionami typu N i typu P. Prowadzi to do innego typu fotodiody: fotodiody PIN .

Jeśli odwrotna polaryzacja konstrukcji jest wystarczająca, w strefie wewnętrznej istnieje silne pole elektryczne, a nośniki fotoelektryczne bardzo szybko osiągają prędkość graniczną. W ten sposób uzyskuje się bardzo szybkie fotodiody. Ponadto pole elektryczne w obszarze zubożenia (ZCE) zapobiega rekombinacji nośników, co powoduje, że fotodioda jest bardzo wrażliwa.

Obudowa fototranzystorów

Operacja

Fototranzystor to tranzystor wrażliwy na światło. Został wynaleziony w 1948 roku przez Johna Shive'a , badacza z Bell Laboratories, ale odkrycie nie zostało upublicznione aż do 1950 roku. Powszechnym rodzajem fototranzystora jest tak zwany tranzystor bipolarny owinięty w przezroczystą powłokę, która pozwala w świetle połączenie kolektora podstawowego. Mówi się wtedy, że podstawa unosi się, ponieważ nie ma połączenia. Gdy baza nie jest podświetlona, ​​przez tranzystor przepływa prąd upływu I CE0 . Oświetlenie podstawy prowadzi do powstania fotoprądu I ph, który można nazwać prądem sterującym tranzystora.

To pojawia się w kolektor-baza w postaci: . jaVS=βjapgodz+jaVSmi0{\ Displaystyle I_ {C} = \ beta I_ {ph} + I_ {CE0}}

Upraszczając, gdy podstawa jest oświetlona, ​​fototranzystor jest równoważny z zamkniętym przełącznikiem między emiterem a kolektorem, a gdy podstawa nie jest oświetlona, ​​jest równoważny z otwartym przełącznikiem.

Prąd świecenia fototranzystora to fotoprąd fotodiody kolektor- baza pomnożony przez wzmocnienie β tranzystora. Jego światłoczuła reakcja jest zatem znacznie wyższa niż w przypadku fotodiody (od 100 do 400 razy więcej). Z drugiej strony, ciemny prąd jest ważniejszy.

Inną różnicę obserwuje się między fototranzystorem a fotodiodą: podstawa fototranzystora jest grubsza, co skutkuje większą stałą czasową, a tym samym niższą częstotliwością odcięcia niż w przypadku fotodiod. Opcjonalnie częstotliwość odcięcia można zwiększyć poprzez zmniejszenie światłoczułości poprzez podłączenie podstawy do nadajnika .

Podanie

W połączeniu z diodą LED na podczerwień , najczęstsze zastosowania to robotyka z popychaczem linii (czarna linia na białym tle) lub wykrywanie przeszkód na krótkich dystansach.

Uwagi i odniesienia

1. (w) Michael Riordan i Lillian Hoddeson, Crystal Fire: The Invention of the Transistor and the Birth of the Information Age ,1998, 352  pkt. ( ISBN  978-0-393-31851-7 )
2. (in) „  fototranzystor  ” na smecc.org

Załączniki

Powiązany artykuł

• Ogniwo fotoelektryczne

Linki zewnętrzne

• Plik o fotodiodach w serwisie ABC electronics
• Plik dotyczący czujników optycznych na stronie internetowej wikiversité