Фотодиод

05/11/2013 - 19:43 Павел Бобков

Что такое фотодиод?

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.

Обозначение на схемах

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).

Режимы работы фотодиода

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.


Вольтамперная характеристика

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.

Продолжение следует.

Комментарии   

# Дед Гиляй 06.11.2013 04:22
Приветствую познавательные материалы, о автор! :) Но не смогу удержаться от маленьких поправок - графоманство критика не позволяет, увы мне. В начале третьего абзаца предложил бы добавить слово "кремниевый" (где про регистрацию инфракрасного света), иначе утверждение неверно: возьмите (доступные) фотодиоды из фосфида галлия или нитрида галлия - и никакой чувствительност и ни в инфракрасной, ни даже в красной частях спектра не будет (а с нитридными - и вообще в видимой области вплоть до ультрафиолета). Далее, если в схеме, озаглавленной "Фотодиодный режим включения", переставить местами фотодиод и нагрузочный резистор так, чтобы нижний вывод резистора оказался присоединен к "земле", то с него можно будет снимать напряжения, пропорционально е световому потоку (плюс, разумеется, падение темнового тока диода). И наконец, темновая ВАХ фотодиода нарисована не вполне корректно: излома характеристики в нуле координат, конечно же, нет; будем считать, что это так художник подчеркнул то, что темновой ток диода отличен от нуля :-).
Ответить | Ответить с цитатой | Цитировать
# Pashgan 06.11.2013 19:06
Спасибо за конструктивную критику. Третий абзац и схему поправил. Ну а график просто так грубовато нарисован.
Ответить | Ответить с цитатой | Цитировать
# Пончик 06.11.2013 14:16
Спасибо за статью. Возник вопрос, а в фотогальваничес ком режиме ток течет от анода к катоду или наоборот?
Ответить | Ответить с цитатой | Цитировать
# Pashgan 06.11.2013 19:33
Там тоже течет обратный ток, то есть от катода к аноду. Поправил рисунок, теперь должно быть понятнее.
Ответить | Ответить с цитатой | Цитировать
# Нет 01.01.2015 13:58
- Ты читаешь статьи но не всегда ими делишься...
- А ты пишешь статьи, даже если ими никто не делится! Каждый делает, что хочет!
Ответить | Ответить с цитатой | Цитировать

Добавить комментарий

Защитный код
Обновить