Схема включения фотодиода: Принцип работы фотодиода, схема и устройство фотодиода

описание принципа работы, схема, характеристики, способы применения

Фотодиоды – полупроводниковые элементы, обладающие светочувствительностью. Их основная функция – трансформация светового потока в электросигнал. Такие полупроводники применяются в составе различных приборов, функционирование которых базируется на использовании световых потоков.

Принцип работы фотодиодов

Основа действия фотодиодных элементов – внутренний фотоэффект. Он заключается в возникновении в полупроводнике под воздействием светового потока неравновесных электронов и дырок (т.е. атомов с пространством для электронов), которые формируют фотоэлектродвижущую силу.

• При попадании света на p-n переход происходит поглощение световых квантов с образованием фотоносителей
• Фотоносители, находящиеся в области n, подходят к границе, на которой они разделяются под влиянием электрополя
• Дырки перемещаются в зону p, а электроны собираются в зоне n или около границы
• Дырки заряжают p-область положительно, а электроны – n-зону отрицательно. Образуется разность потенциалов
• Чем выше освещенность, тем больше обратный ток

Если полупроводник находится в темноте, то его свойства аналогичны обычному диоду. При прозванивании тестером в отсутствии освещения результаты будут аналогичны тестированию обычного диода. В прямом направлении будет присутствовать маленькое сопротивление, в обратном – стрелка останется на нуле.

Схема фотодиода

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.

Основные параметры

Свойства фотодиодов определяют следующие характеристики:

• Вольтамперная. Определяет изменение величины светового тока в соответствии с меняющимся напряжением при стабильных потоке света и темновом токе
• Спектральная. Характеризует влияние длины световой волны на фототок
• Постоянная времени – это период, в ходе которого ток реагирует на увеличение затемнения или освещенности на 63% от установленного значения
• Порог чувствительности – минимальный световой поток, на который реагирует диод
• Темновое сопротивление – показатель, характерный для полупроводника при отсутствии света
• Инерционность

Из чего состоит фотодиод?

Разновидности фотодиодов

P-i-n

Для этих полупроводников характерно наличие в зоне p-n перехода участка, обладающего собственной проводимостью и значительной величиной сопротивления. При попадании на этот участок светового потока появляются пары дырок и электронов. Электрополе в данной области постоянно, пространственного заряда нет. Такой вспомогательный слой расширяет диапазон рабочих частот полупроводника. По функциональному назначению p-i-n-фотодиоды разделяют на детекторные, смесительные, параметрические, ограничительные, умножительные, настроечные и другие.

Лавинные

Этот вид отличается высокой чувствительностью. Его функция – преобразование светового потока в электросигнал, усиленный с помощью эффекта лавинного умножения. Может применяться в условиях незначительного светового потока. В конструкции лавинных фотодиодов используются сверхрешетки, способствующие снижению помех при передаче сигналов.

С барьером Шоттки

Состоит из металла и полупроводника, вокруг границы соединения которых создается электрическое поле. Главным отличием от обычных фотодиодов p-i-n-типа является использование основных, а не дополнительных носителей зарядов.

С гетероструктурой

Образуется из двух полупроводников, имеющих разную ширину запрещенной зоны. Гетерогенным называют слой, находящийся между ними. Путем подбора таких полупроводников можно создать устройство, работающее в полном диапазоне длин волн. Его минусом является высокая сложность изготовления.

Области применения фотодиодов

• Оптоэлектронные интегральные микросхемы. Полупроводники обеспечивают оптическую связь, что гарантирует эффективную гальваноразвязку силовых и руководящих цепей при поддержании функциональной связи.
• Многоэлементные фотоприемники – сканисторы, фоточувствительные аппараты, фотодиодные матрицы. Оптоэлектрический элемент способен воспринимать не только яркостную характеристику объекта и ее изменение во времени, но и создавать полный визуальный образ.

Другие сферы использования: оптоволоконные линии, лазерные дальномеры, установки эмиссионно-позитронной томографии.

Была ли статья полезна?

Да

Нет

Оцените статью

Что вам не понравилось?

Другие материалы по теме

Анатолий Мельник

Специалист в области радиоэлектроники и электронных компонентов. Консультант по подбору деталей в компании РадиоЭлемент.

Светодиоды. Характеристики и основные схемы подключения на 12 вольт и 220В

Светодиодами называют полупроводниковые приборы, которые при подаче напряжения создают оптическое излучение. Их международное буквенное обозначение – LED (LightEmittingDiode). На схеме светодиод обозначается как обычный диод с двумя параллельными стрелками, направленными наружу и указывающими на его излучающий характер. В продаже имеется большое количество типов светодиодов, которые различаются между собой функциональным назначением, конструкцией, мощностью, цветом свечения и другими свойствами.

Виды и основные параметры светодиодов

По назначению светодиоды разделяют на две категории – индикаторные и осветительные.

Индикаторные

Отличаются малой мощностью и умеренной яркостью свечения. Используются для цветовой индикации режимов работы различных приборов и оборудования, а также для подсветки дисплеев и приборных щитов. Разновидности индикаторных светодиодов:

• DIP-светодиоды. Кристалл-излучатель находится в выводном корпусе, который чаще всего представляет собой выпуклую линзу. Минус – малый угол рассеивания излучения.
• «Пиранья» – излучатель сверхвысокой яркости с четырьмя выводами, обеспечивающими его удобное крепление на плате. Востребован для подсветки приборов в автомобилях и в рекламных вывесках.
• «Соломенная шляпа». Цилиндрический двухвыводный прибор со значительным углом рассеивания излучения и увеличенным диаметром линзы. Применяется в декоративных конструкциях и светосигналах тревоги.
• SMD-светодиоды. Приборы сверхвысокой яркости располагаются в корпусах, рассчитанных на SMT-монтаж. В их маркировке указываются размеры в дюймах (их сотых долях) или в мм. На базе SMD-светодиодов изготавливаются светодиодные ленты.

Осветительные

Осветительные светодиоды встречаются в конструкции фонарей, фар, лент. Отличаются мощностью и яркостью свечения. Большинство осветительных приборов размещают в корпусах для SMT-монтажа. Изготавливаются в двух разновидностях белого цвета:

• cool white – холодный;
• warm white – теплый.

Осветительный SMD-светодиод представляет собой теплоотводящую подложку, на которой смонтирован излучающий кристалл, обработанный люминофорным составом.

Основные правила подключения светодиодов

Конструкция светодиодов рассчитана на их подключение только к источникам постоянного тока с соблюдением полярности. Существует три варианта определения полярности:

• По длине ножки (кроме SMD). Более длинная ножка является катодом, а короткая – анодом. В SMD-светодиодах имеется срез (ключ), который всегда располагается ближе к катоду.
• С помощью мультиметра. Прибор устанавливают в режим «Прозвонка». Красный и черный щупы устанавливают на выводы. Если прибор засветился, то, значит, что красный щуп был подключен к аноду, а черный – к катоду. Если свечение не возникло, значит, надо поменять положение щупов. Если результат не изменился (свечение отсутствует), значит, прибор вышел из строя.

Основные характеристики светодиодов

Две главные характеристики, указываемы в паспорте светоизлучающего прибора:

• Падение напряжения на приборе. Типичное значение – 3,2 В. Также для каждого светодиода существуют максимально допустимые напряжения Umax и Umaxобр – для прямого и обратного включений.
• Номинальный ток. Обычно эти приборы рассчитаны на силу тока в 20 мА.

Способы подключения

Простейший вариант – подключение к низковольтному источнику постоянного тока.

Самый удобный и безопасный вариант – подключить светодиод к батарейке или аккумулятору с помощью включения в схему маломощного резистора. Его функция – ограничение тока, протекающего через p-n-переход, определенным значением. Без этого элемента LED быстро утратит рабочие свойства.

Резистор выбирают по сопротивлению и мощности. Расчет сопротивления по формуле:

R = (Uпитания – Uпаспорт.)/Iном., Ом, в которой:

• Uпитания – напряжение электропитания, В;
• Uпаспорт. – падение напряжения, паспортное значение, В;
• Iном. – номинальный ток.

Полученное значение округляют в большую сторону до ближайшей номинальной величины из ряда Е24. После этого рассчитывают мощность, которую должен рассеивать резистор.

P = Iном.² х R, где R – выбранное по таблице значение сопротивления.

Провести все эти действия можно быстро и просто с использованием онлайн-калькулятора.

Как подключить светодиоды к сети переменного тока 220 В через блок питания

Существует несколько типов блоков питания:

• Стабилизированные источники постоянного напряжения для светодиодов на 5 Вольт и 12 Вольт. При колебаниях параметров сети напряжение на выходе такого источника питания остается постоянным и равным заявленной в паспорте величине. LED-светильники подсоединяют через резисторы.
• Драйвер – импульсный блок питания со стабилизированным током. Характеристики, которые учитывают при его выборе: максимальное и минимальное выходное напряжение, выходной (рабочий) ток. В драйвере присутствует схема, стабилизирующая ток при скачках входного напряжения 220 В. При подключении светодиодного излучателя к драйверу резистор не требуется.

Способы создания схем из нескольких светодиодов – последовательное и параллельное соединение

При подключении нескольких светоизлучающих приборов к источнику питания может использоваться два варианта соединения – последовательное и параллельное.

Последовательное

Последовательное соединение представляет цепь полупроводниковых приборов, в которой катод первого излучателя спаян с анодом следующего – и так далее. Через все элементы последовательной цепи протекает ток одного значения, а падение напряжения суммируется. Мощность БП выбирается равной или превышающей сумму мощностей каждого элемента.

Минусы последовательного соединения:

• При значительном количестве элементов цепи необходимо выбирать БП большого вольтажа.
• При выходе из строя одного LED-диода перестает работать вся цепь.

В длинных лентах на 60-70 диодов на каждом элементе происходит падение напряжения примерно на 3 В, то есть такие ленты можно присоединять к сети 220 В через выпрямитель.

Параллельное

При параллельном подсоединении напряжение на всех элементах цепи будет равным, а суммируются токи каждого LED. Основная проблема в данном случае состоит в том, что LED-светильники, даже из одной партии, часто имеют различные характеристики. Поэтому, если поставить один общий резистор, на лампочки может подаваться ток разного значения, вследствие чего некоторые элементы будут светить слишком ярко, а некоторые – тускло. Решение проблемы – установка отдельных резисторов для каждого диода.

Минусы параллельного подключения:

• большое количество элементов цепи из-за необходимости использования индивидуальных резисторов для каждого диода;
• существенный рост нагрузки при перегорании одного LED-диода (если используется один мощный резистор на всю цепь).

Смешанное

Это самый подходящий вариант соединения светодиодов, поскольку он позволяет хотя бы частично скомпенсировать недостатки последовательного и параллельного подключений. В этом случае параллельно соединяются цепочки последовательно расположенных элементов. Этот способ применяется в современных елочных гирляндах или лентах. Преимущество такого решения: если даже выйдут из строя одна или несколько параллельных цепочек, остальные будут исправно светить.

Была ли статья полезна?

Да

Нет

Оцените статью

Что вам не понравилось?

Анатолий Мельник

Специалист в области радиоэлектроники и электронных компонентов. Консультант по подбору деталей в компании РадиоЭлемент.

Фотодиод — chipenable.ru

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.

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).

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.

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.

Фотодачик. Часть 2. Модуляция. | Электроника для всех

О простейших фотодетекторах я уже писал, но их применение для передачи информации или сигналов на расстояние весьма ограничено.

Предположим нам надо поймать световой сигнал, причем в любых условиях. И неважно будет это в полной темноте или с яркой внешней засветкой поймать и все тут. Но возникает проблема — как определить когда у нас есть сигнал, а когда фотодетектор засветило помехой?

Очевидный ответ — сравнение двух состояний. Когда полезный сигнал есть, и когда его нет. Для того, чтобы знать что полезный сигнал есть у него должен быть какой нибудь признак, например частота.
То есть если полезный сигнал будет мигать с частотой, скажем, 30кГц то мы увидим эти пульсации частоты при любом раскладе.
Теперь нам не достатавляет труда понять, что полезный сигнал есть: выходное напряжение с датчика скачет с частотой 30кГц — есть коннект. Если же не скачет — значит это всего лишь фоновая засветка и на нее можно не обращать внимания.

Теперь наш приемник можно усложнить.
Добавим усилитель с регулируемым коэффициентом.
А после него добавим фильтр, который будет отсекать постоянную составляющую (внешная фоновая засветка) и выделять только несущую частоту, те самые 30кГц. А выход с фильтра завяжем на управление коэффициентом нашего усилителя.

Получится АРУ (автоматический регулятор усиления). Работает он так — если после фильтра не слышно модуляции мы повышаем коэффициент усиления до тех пор пока не поймаем частоту полезного сигнала. Если не поймаем, то задираем коэффициент усиления настолько насколько сможем — все равно ничего кроме полезного сигнала не пролезет.

Но если вдруг сигнал появится, то уменьшаем усиление до такой степени, чтобы сигнал четко детектился. Уменьшать усиление надо для того, чтобы не усиливать шумы и не перегружать фильтр лишним мусором.

Несущая есть, на нее можно накладывать сигнал.
Информацию можно передавать пачками импульсов — есть пачка 0, нет пачки 1 или наоборот.

Структурная схема понятна, перейдем к практике. А тут даже изобретать ничего не надо — уже существюут готовые применики, имеющие на борту все необходимое. Например, широко распространенные, дешевые и простые в использовании датчики серии TSOP17xx где в качестве хх идет детектируемая частота. Например, TSOP1730 детектит несущую в 30кГц и когда чувствует ее наличие прижимает выходную линию в 0

Схема включения его элементарная — подать питалово, да завести выход на любой из портов микроконтроллера (на схеме обозначен как uC). Резисторы опциональны, их можно выкинуть.

В качестве передатчика может быть микроконтроллер, а импульсы можно генерить ШИМом.

Но есть тут одна хитрая особенность, не явная на первый взгляд — нельзя слать несущую без данных непрерывным потоком. Равно как и нельзя слать данные сплошняком. Так как АРУ начинает занижать чувствительность и в итоге передача затыкается через пару секунд. Это сделано для того, чтобы наш TSOP не забивался еще и периодическим шумом сходной частоты, например от люминисцентных ламп с электронным балластом, которые мерцают на очень близкой частоте.
Чтобы затыка не случилось надо слать информацию в виде удовлетворяющем условию:

Где f₀ — это частота несущей на которую рассчитан TSOP.
Здесь биты шлются пачками (burst) , а N — это число импульсов несущей в одной пачке. Также указана минимальная длинна пачки и промежутка (Gap) между ними.

А сам параметр минимальной скважности (Duty Cycle) рассчитывается по такой формуле:

Если же надо сделать тупую «светилку», например, для организации ИК барьера реагирующего на пересечение, то можно не заморачиваться, а поступить так как советуют разработчики — собрав двойной генератор:

Обрати внимания на левую часть, которую я обвел красной рамкой. Тут два генератора собраных на простейшей логической микросхеме — нашей родимой К555ЛА3 или ее буржуйском оригинале. На первом элементе 2И-НЕ собран генератор пачек импульсов. Как видишь там есть кондесатор С1 на 10нФ и два резистора R1 и R2, а также диод.
Работает просто, допустим мы только включили схему и конденсатор у нас разряжен. На входе 1 всегда лог1, а на входе 2 у нас лог0 так как конденсатор еще разряжен. лог1 & лог0 = 0, но на выходе у нас инверсия, так что на 3 выводе будет лог1, то есть +5вольт. Конденсатор С1 начнет заряжаться от напряжения выхода через резисторы R1 и R2. Когда он полностью зарядится, то на входе 2 будет уже лог1, а лог1 & лог1 = 1, да инверсия = 0, на третьем выходе будет уже напряжение около нуля. И конденсатору С1 ничего не остается как начать разряжаться, но делать он уже это будет не через оба резистора, а только через R1, т.к. в обратную сторону через R2 ему помешает разрядиться диод. Обрати внимание насколько велика разница между R1 и R2 — в порядок! Так что длительность заряда будет в десять раз короче длительности разряда.

На втором 2И-НЕ элементе собран еще один генератор, на этот раз это генератор несущей частоты. У него и конденсатор меньше значительно, а значит заряжаться он будет быстрей и частота будет выше. Резисторы R3 и потенциометр P1 позволяют подстраивать частоту. Диод тут не нужен — несущая должна иметь одинаковые импульсы и паузы. Работает он точно также как и первый. НО! Обрати внимание на его верхний вход с номером 5. Если в первом генераторе там всегда был лог1, т.к. он был подвешан на питание, то тут на входе у нас выход с первого генератора. А значит второй генератор будет работать только тогда, когда ему разрешит первый. Все просто!
Вот и получается что данная конструкция выплевывает пачки 30кГц импульсов стоит только подать на нее питание.

Правая же часть это интерпритатор пачек, для создания полноценного сигнального ИК барьера. Там пачки интегрируются на RC цепочке (R7, C4), собираясь из импульсного (каждая пачка = импульс) в постоянный сигнал. На выходе происходит изменение уровня лишь тогда, когда сигнал действительно надолго прервался (чтобы не реагировать на провалы между импульсами-пачками).
Первый элемент (U1D) служит разделителем и пороговым формирователем, превращая колебания напряжения с RC цепи в логические уровни +5 и 0 вольт.
Бодяга из R8, R9, C5 и диода это линия задержки. Когда луч кратко пересекается вражеским телом, то пропадает много пачек, напряжение с интегратора снижается ниже лог0 и на входе U1D возникает ноль. Так как там инверсия на выходе, то на 11 выводе будет лог1, то есть +5вольт. Это напряжение, пройдя через диод и малое сопротивление R9 быстро зарядит кондер С5. Напряжение на заряженом С5 сформирует две лог1 на входе U1C, что даст 0 на выходе — АХТУНГ! АЛЯРМ!!!
Тело ушло с луча, на интеграторе (и на входе U1D) напряжение вновь подскочило, а с U1D стал опять выходить 0 и конденсатор С5 теперь начинает разряжаться, но благодаря диоду делать он это может только через R8 который уже в два порядка больше, а значит и разряд будет в два порядка дольше. И пока он не разрядится на выходе U1C будет гореть ахтунговый лог0.

Итог:
Схема не реагирует на провалы между пачками за счет первого интегратора. Но если потерялось много пачек (пересечение луча), то это интегратор пропустит, а элемент задержки запомнит и выдаст длительный сигнал тревоги. Гораздо длинней чем время пересечения луча вражеской тушей.

З.Ы.
Также, весьма в тему, будет отличная статья камрада Wodoocat о протоколах бытовых пультов дистанционного управления.

Понятие и устройство фотодиода

МИНОБРНАУКИ РОССИИ

Санкт-Петербургский государственный

Электротехнический университет

«ЛЭТИ» им. В.И. Ульянова (Ленина)

Кафедра Робототехники и автоматизации производственных систем

доклад

По дисциплине «ЭЛЕМЕНТЫ СИСТЕМ АВТОМАТИКИ»

Тема: Фотодиоды и фототранзисторы

Санкт-Петербург

ЗАДАНИЕ

На реферат

Аннотация

Фотодиоды и фототранзисторы используют в качестве чувствительных элементов в системах телеконтроля, автоматических устройств, в аппаратуре считывания числового материала, фототелеграфии и т. д. Основной их недостаток — зависимость параметров от температуры.

Summary

Photodiodes and phototransistors are used as sensing elements in telecontrol systems, automatic devices, in the equipment for reading numerical material, phototelegraphy, etc. Their main disadvantage is the dependence of the parameters on temperature.
содержание

Введение

Фотодиоды — полупроводниковые приборы, действие которых основано на изменении сопротивления p-n перехода или разности потенциалов на переходе при освещении прибора излучением соответствующего диапазона, создающим дополнительные носители заряда в области p-n перехода. Фотодиоды используются как с внешним источником питания так и без него. В первом случае при последовательном соединении фотодиода, нагрузочного сопротивления и источника питания, фотодиод работает в режиме фотосопротивления. Такой режим работы называется фотодиодным. Во втором случае, т.е. в схеме без внешнего источника питания, фотодиод работает в режиме преобразователя энергии излучения в электрическую энергию. Такой режим работы называется вентильным. В фотодиодном режиме фотодиоды широко применяются в релейных схемах, в вычислительной технике, оптоэлектронике. В вентильном режиме фотодиоды применяются, например, для обеспечения питания искусственных спутников Земли. Целью данной работы является исследование и сравнительный анализ характеристик фотодиода на p-n-переходе, не имеющего участка лавинного пробоя, и лавинного фотодиода в фотодиодном режиме работы.

ФОТОДИОДЫ

Понятие и устройство фотодиода

Фотодиоды — полупроводниковые приборы, в основу действия которых положено свойство электронно-дырочного перехода изменять обратное сопротивление под действием светового потока. На рис. 2 показаны устройство (вид а) и схема включения (вид б) фотодиода. Когда фотодиод не освещен, в цепи резистора R проходит обратный ток очень небольшой величины.

Рис.2. Фотодиод

При освещении фотодиода увеличивается число «дырок» в области полупроводника с электронной проводимостью. При включении напряжения эти «дырки» проходят через электронно-дырочный переход, вызывая увеличение тока в цепи нагрузки.

Различают 2 режима работы Ф.: фотодиодный, когда во внешней цепи Ф. содержится источник постоянного тока, создающий на р–n-переходе обратное смещение, и вентильный, когда такой источник отсутствует. В фотодиодном режиме Ф., как и фоторезистор, используют для управления электрическим током в цепи Ф. в соответствии с изменением интенсивности падающего излучения. Возникающие под действием излучения неосновные носители диффундируют через р–n-переход и ослабляют электрическое поле последнего. Фототок в Ф. в широких пределах линейно зависит от интенсивности падающего излучения и практически не зависит от напряжения смещения. В вентильном режиме Ф., как и полупроводниковый фотоэлемент, используют в качестве генератора фотоэдс.

Основные параметры Ф.: 1) порог чувствительности (величина минимального сигнала, регистрируемого Ф., отнесённая к единице полосы рабочих частот), достигает 10-14 вт/гц1/2; 2) уровень шумов – не свыше 10-9 а; 3) область спектральной чувствительности лежит в пределах 0,3–15 мкм; 4) спектральная чувствительность (отношение фототока к потоку падающего монохроматического излучения с известной длиной волны) составляет 0,5–1 а/вт; 5) инерционность (время установления фототока) порядка 10-7–10-8 сек. В лавинном Ф., представляющем собой разновидность Ф. с р–n-cтруктурой, для увеличения чувствительности используют т. н. лавинное умножение тока в р–n-переходе, основанное на ударной ионизации атомов в области перехода фотоэлектронами. При этом коэффициент лавинного умножения составляет 102–104. Существуют также Ф. с р–i–n-cтруктурой, близкие по своим характеристикам к Ф. с р–n-cтруктурой; по сравнению с последними они обладают значительно меньшей инерционностью (до 10-10 сек).

Ф. находят применение в устройствах автоматики, лазерной техники, вычислительной техники, измерительной техники и т.п.

Режим работы

Фотодиод может работать в фотодиодном и гальваническом режиме.

В фотодиодном режиме p-n переход смещается обратным напряжением величина которого зависит от конкретного фотодиода от единиц до сотни вольт, чем больше смещение тем быстрее он будет работать, и больше токи через него будут течь.
Недостаток фотодиодного режима в том, что с ростом обратного тока, в последствии увеличения напряжения или освещения, увеличивается уровень шумов, а уровень полезного сигнала в целом остается постоянным, считается, что в этом режиме диод имеет меньшую постоянную времени.

В фотогальваническом режиме к диоду не прикладывается ни какое напряжение, он сам становится источником ЭДС с большим внутренним сопротивлением.
Недостаток фотогальванического режима заключается в ослаблении полезного сигнала с ростом уровня паразитной засветки но уровень шумов не растет, остается постоянным.

Фотодиодная схема включения.

Приведенная схема включения фотодиода является универсальной и подходит для тестирования и выбора, применительно к окончательной схеме своей конструкции.
Изменяя положение подстроечного резистора, в приведенной схеме, можно протестировать и выбрать оптимальный режим работы фотодиода.
Изменяя сопротивление резистора от минимального до максимального, можно подобрать наилучший режим смещения на фотодиоде.
Вывернув резистор на минимум, замкнув подвижный контакт на землю, мы переведем схему в фотогальванический режим.
Можно попробовать работу фотодиода и в прямом смещении (он все равно будет реагировать на свет), для этого надо поменять схему включения, перевернув диод.
Сопротивление в 50 Ком, не должно дать повредить фотодиод, а по переменной составляющей оно оказывается включенным параллельно с нагрузкой (меньше 5 КОм), и полезный сигнал практически не ослабляет. Конденсатор избавляет нас от постоянной составляющей. Если мы принимаеи импульсный сигнал то от постоянной составляющей, которая меняется в зависимости от фоновой засветки, лучше избавится сразу, смысла ее усиливать нет.

Еще одна стандартная схема включения фотодиода показана на рисунке.
В данной установке для уменьшения влияния шумов и наводок в схему добавлены буферные конденсаторы в цепи питания, накопительный конденсатор С3 и интегрирующая цепочка R2С4 на выходе.
C1- электролитический конденсатор большой ёмкости С = 100 мкФ, С2 — быстрый керамический 0,1 мкФ, С3, С4 — керамические по 100 пФ, R1 — 8 кОм, R2- 5,6 кОм.

Нагрузкой для достижения максимального быстродействия должен быть или каскад с общей базой или быстродействующий операционник включенный по схеме преобразователя ток-напряжение. Эти усилители имеют минимальное входное сопротивление.

Читайте также:

Рекомендуемые страницы:

Поиск по сайту

Тематические статьи по фотонике

Отсутствует

Как подключить инфракрасный фотодиодный датчик в цепь

В этом посте мы узнаем, как правильно подключить инфракрасный фотодиод в цепи, такие как цепь датчика приближения. Объяснение представлено в виде обсуждения между мной и одним из преданных читателей этого блога NVD.

Вот обсуждение, в котором объясняется, как подключить фотодиод в электронную схему.

Проверка подключения ИК-фотодиода в цепи

Вопрос : Подскажите, пожалуйста, работает ли следующая схема или нет.Я думаю, что выход ic составляет 5 В. Я хочу, чтобы выход был подключен к реле 12 В, а не к зуммеру. Вы можете сказать, какие изменения мне следует внести в схему ..

Анализ схемы

Ответ:

(+) — это анод, и (-) — катод фотодиода. Другими словами, контакт, связанный с более широкой пластиной внутри фотодиода, будет катодом, а контакт, связанный с более тонкой пластиной внутри фотодиода, будет анодом

• , если он установлен правильно, он должен работать.Однако приведенная выше диаграмма содержит много ошибок и никогда не будет работать. Конфигурация ИК-фотодиода с операционным усилителем потребует некоторых изменений.
• Для настройки реле вы можете использовать BC547 / релейный каскад на выходе операционного усилителя, холодное сопротивление базового резистора составляет 10 кОм.
• Для получения подробной информации о каскаде драйвера реле вы можете обратиться к следующей статье: https: / /homemade-circuits.com/2012/01/how-to-make-relay-driver-stage-in.html

Вопрос:

Хорошо, есть ли положительные и отрицательные клеммы для ИК-приемника и передатчика, такие как светодиод .Я новичок в этом, поэтому спрашиваю

Полярность для ИК-фотодиодов в передатчиках

• , как и любой другой диод, ИК-фотодиоды также имеют полярность и должны быть подключены соответственно.

Вопрос:

В схему подключен фотодиод прямого смещения. это неправильно? Пожалуйста, проверьте, сэр.

Принципиальная схема

Полярность ИК-фото для приемника

• Полярность ИК-фотодиода передатчика правильная … Неправильная полярность приемника , для приемника необходимо инвертировать, как показано ниже.

Вопрос:

Сэр, сначала я забыл подключить вывод 3 микросхемы к резистору приемника, затем я подал питание 12 В, поэтому светится только светодиод. После этого я подключил контакт 3 к резистору и дал 9В. Теперь светодиод загорается, когда я поворачиваю переменный резистор в одну сторону. Светодиод не загорается, когда впереди появляется препятствие.

Может ли сгореть ИК-фотодиод

Я подключил все правильно, но он не работает, есть ли вероятность сгорания микросхемы или фотодиода при подключении к источнику питания 12 В.У вас есть электрическая схема ИК-датчика приближения.

Пожалуйста, помогите мне, сэр.

Ответ

• Фотодиод никогда не сгорит, пока он подключен последовательно с резистором.

Итак, почему фотодиод приемника не отвечает

Ответ:

На схеме выше фотодиод, подключенный к операционному усилителю, никогда не сможет запустить операционный усилитель в ответ на полученный инфракрасный сигнал. Почему?

Правильный способ подключения фотодиода к операционному усилителю

Напряжение, генерируемое фотодиодом приемника в ответ на сигналы от фотодиода передатчика, вряд ли составит милливольт , может быть, всего пару милливольт.

Хотя операционные усилители могут быть чувствительны к обнаружению даже до пары милливольт, резистор 10 кОм между контактом № 3 и землей мгновенно аннулирует крошечный сигнал милливольт, что делает невозможным его обнаружение операционным усилителем.

Таким образом, мы можем предположить, что именно резистор 10 кОм не позволяет операционному усилителю обнаруживать выходной сигнал фотодиода.

На следующей схеме показано, как правильно подключить фотодиод к операционному усилителю, чтобы он эффективно реагировал на сигналы от любого источника ИК-фотодиодного передатчика:

На приведенной выше диаграмме мы видим, что более ранний резистор 10 кОм на неинвертирующем выводе Операционного усилителя заменен конденсатором малой емкости, и теперь это позволяет операционному усилителю реагировать на сигналы, генерируемые фотодиодами Rx, Tx.

Фактически, операционный усилитель все равно будет реагировать без конденсатора, однако никогда не рекомендуется оставлять входы операционного усилителя плавающими, пока на него подается питание, поэтому заземленный конденсатор гарантирует, что соответствующий вход операционного усилителя никогда не останется плавающим и подвержен риску паразитные сигналы.

Вы можете подумать, что конденсатор можно заменить резистором высокого номинала, порядка многих мегомов, извините, что это тоже может не помочь, которое снова запретит операционному усилителю воспринимать сигналы с фотодиода и, в конечном итоге, низкий Значение конденсатора приводит к тому, что это правильный выбор.

Подключение фотодиода для активации реле

Изображенный выше фотодиодный детектор на базе операционного усилителя может быть дополнительно модернизирован для запуска ступени реле путем интеграции ступени драйвера реле, как показано на следующей схеме:

Обратная связь от г-на Нормана Келли (один из заядлых читателей этого блога):

Привет, Swagatam,

Я искал цепь, чтобы предупредить меня, когда кто-то входит в мой двор и на переднюю палубу.

Доставщики оставляют вещи на передней палубе и не звонят в дверной звонок, поэтому я не знаю, что мои пакеты находятся на палубе.Также ночью я хотел бы знать, не входит ли кто-нибудь в мой двор.

Я разработал схему с PIR и беспроводным TX / RX для воспроизведения сообщения в моем доме. Все работает, но много ложных срабатываний и жену это сводит с ума.

Я предполагаю, что радиочастотные сигналы запускают PIR. Я попытался разделить их на несколько дюймов, и это помогло, но недостаточно. Итак, я решил взглянуть на ИК-порт, чтобы обнаружить человека, открывающего ворота во двор, а затем передающего этот сигнал по беспроводной сети.Я хотел сделать ИК-луч, но для этого требуется больше компонентов, которых у меня сейчас нет.

Итак, я решил, что инфракрасный датчик приближения будет работать, если я поместил датчик у ворот и поместил на ворота рефлектор, который отражал бы ИК при открытии ворот.

Я видел вашу схему выше «Как подключить ИК-фотодиодный датчик».

Хлеб на схему и работает нормально. Единственная проблема в том, что он использует 50 мА в режиме ожидания и 70 мА в активном состоянии.

Дистанционный монтаж с батарейным питанием, кажется, исключен, если нет способа снизить требования к питанию или мне придется подавать низкое напряжение на устройство.

Есть предложения или комментарии? Спасибо за вашу помощь!
Norman Kelley

Мой ответ:

Hi Norman,

Высокое потребление может быть просто из-за неправильных значений резистора светодиодов, попробуйте использовать 1K для светодиода передатчика, а также для светодиода индикатора, общее потребление должно снизиться примерно до 6 мА

О Swagatam

Я инженер-электронщик (dipIETE), любитель, изобретатель, разработчик схем / печатных плат, производитель. Я также являюсь основателем сайта: https: // www.homemade-circuits.com/, где я люблю делиться своими новаторскими идеями и руководствами по схемам.
Если у вас есть вопросы, связанные со схемой, вы можете взаимодействовать с ними через комментарии, я буду очень рад помочь!

Какие бывают типы фотодиодов? — Фотодиод PIN и фотодиод Avalanche

Существует два основных типа фотодиодов, а именно: PIN Photodiode и Avalanche Photodiode.

PIN Фотодиод

Определение: PIN-фотодиод — это фотодетектор, в котором можно изменять толщину обедненного слоя для генерации большого фототока.Если толщина обедненного слоя больше, то площадь поверхности, на которую падает свет, также увеличивается. Благодаря этому эффективность преобразования фотодиода увеличивается и будет генерироваться более фототока .

Конструкция PIN фотодиода

Слой P-типа, внутренний слой и слой N-типа зажаты между собой, образуя два соединения, соединение NI и соединение PI. Слой P + может быть получен ионной имплантацией, а собственный слой представляет собой эпитаксиальный слой, выращенный на подложке N-типа.Электроны с N-стороны и дырки с P-стороны диффундируют из-за градиента концентрации .

Образуется область истощения. Ширина обедненной области больше в собственной области и меньше в слое N-типа. Клемма P-типа подключена к отрицательной клемме батареи, а клемма N-типа подключена к положительной клемме батареи.

Работа фотодиода PIN

Когда к PIN-диоду приложено обратное смещение, ширина обедненной области начинает увеличиваться в собственной области.А с увеличением обратного напряжения ширина увеличивается еще больше. Достигается стадия, когда ширина обедненной области становится эквивалентной толщине собственного слоя. В этот момент внутренний слой очищается от подвижных носителей заряда.

Рассмотрим поток фотонов ⱷ ₀ , падающий на область P + диода, а ширина области P + очень мала по сравнению с собственным слоем и слоем N-типа. Поток фотонов можно определить как функцию расстояния.

ⱷ (x) = ⱷ ₀ e ^{— α x}

Здесь α — коэффициент поглощения фотона, x изменяется в зависимости от ширины собственного слоя. Плотность фототока, генерируемого потоком фотонов, может быть задана уравнением ниже.

J _L = e ^W ƪ ₀ G _L dx = e ^W 2 _{9017 9034 9017 0} e ^-αx dx = e ⱷ ₀ (1 — e ^{— α W} )

Здесь J _L — плотность фототока, G _L — скорость генерации пары электронов-дырок с краев собственного слоя.В приведенном выше уравнении предполагается, что рекомбинация электронов и дырок в обедненной области отсутствует, то есть полностью свободна от мобильных носителей заряда. И каждый поглощенный фотон порождает одну электронно-дырочную пару.

Преимущества и недостатки PIN-фотодиода

1. Преимуществом является его высокочастотный отклик, а его частотная характеристика также выше, чем у кадмиево-сульфидного фотодетектора.
2. Он недорогой, а время отклика составляет наносекунды, что делает его подходящим для электронных схем.
3. Эти диоды имеют широкий спектральный диапазон и могут обрабатывать даже очень слабые сигналы.
4. Недостатком PIN-диода является то, что для его работы требуется большое обратное смещение, которое иногда снижает отношение сигнал / шум.

Применения фотодиода PIN

Они используются для обнаружения лазерных импульсов, в схемах сверхбыстрой коммутации и в логических схемах из-за их способности обнаруживать слабые сигналы.

Лавинный фотодиод

Определение: лавинный фотодиод — это фотодетектор, в котором больше электронно-дырочных пар генерируется из-за ударной ионизации.Это похоже на фотодиод P-N или фотодиод PIN, где электронно-дырочные пары генерируются из-за поглощения фотонов, но в дополнение к этому лавинному фотодиоду используется принцип ударной ионизации для увеличения величины фототока.

Конструкция лавинного фотодиода

Он имеет четыре области: N + область, P область, внутренний слой и P + область. Области N + и P + сильно легированы, а собственный слой слегка легирован. Более наглядно его устройство можно понять с помощью приведенной ниже схемы.

Работа лавинного фотодиода

В статьях «Фотодиоды и PIN-фотодиоды» мы уже обсуждали, что фотоны, падающие на поверхность диодов, вносят вклад в фототок. Но в случае лавинного диода к ударной ионизации вводится дополнительный фактор, который увеличивает фототок в несколько раз. Этот дополнительный фактор называется коэффициентом размножения лавины.

Ударная ионизация — это процесс, в котором один энергоноситель с достаточно высокой кинетической энергией ударяется об ограниченный энергоноситель и передает ему свою энергию, так что ограниченный энергоноситель может свободно перемещаться.Это приводит к более высокой концентрации энергоносителей и, следовательно, к большей величине тока.

Это явление имплантации при ударе играет важную роль в увеличении фототока. Полоса пропускания по току — коэффициент усиления фотодиода Avalanche составляет около 100 ГГц. Таким образом, этот тип фотодиода может реагировать на свет, модулированный на микроволновых частотах.

Преимущества и недостатки лавинного фотодиода

1. Он может обнаруживать очень слабый сигнал из-за высокого коэффициента усиления по току.
2. Конструкция достаточно сложная, поэтому нужно позаботиться о стыке. Переход должен быть однородным, а защитное кольцо должно использоваться для защиты диода от краевого пробоя.

Применение фотодиода Avalanche

Благодаря способности обнаруживать сигналы низкого уровня, он используется в системах оптоволоконной связи. Правильно сконструированный кремниевый лавинный фотодиод может обеспечить время отклика около 1 нс.

Характеристики фотодиода

Basic PIN | Часто задаваемые вопросы

1. Каков срок службы кремниевых фотодиодов?
2. Меняется ли отзывчивость со временем?
3. Меняется ли темновой ток со временем?
4. Какой выходной сигнал у фотодиода?
5. Насколько линейен выходной фототок в режиме источника тока?
6. Тогда каков динамический диапазон кремниевых фотодиодов?
7. В чем разница между линейной матрицей ПЗС МОП и линейной решеткой фотодиодов?
8. Какое соответствие чувствительности от устройства к устройству?
9. Может ли OSI Optoelectronics предоставить фотодиоды с согласованной чувствительностью?
10. Внешняя часть активной области полностью нечувствительна к свету?
11. Как можно уменьшить поглощение света в неактивной области?
12. В чем разница между режимами фотопроводимости (ПК) и фотогальваники (PV)?
13. Какой режим (PV или ПК) я должен использовать для моего приложения?
14. Как сделать обратное смещение фотодиода?
15. Какое обратное смещение мне нужно применить?
16. Но как мне узнать, сколько смещения достаточно для работы в определенной полосе пропускания?
17. Что произойдет, если на фотодиод подано напряжение, превышающее указанное максимальное обратное смещение?
18. Это приводит к необратимому повреждению фотодиода?
19. Что произойдет, если фотодиод по ошибке смещен вперед?
20. Используется ли определенный тип источника питания для смещения фотодиода?
21. Почему для некоторых устройств предусмотрен темновой ток, а для других — шунтирующее сопротивление?

1.Каков срок службы кремниевых фотодиодов?
Фотоприемники служат в течение неопределенного периода времени при правильном использовании и в соответствии с указанными характеристиками. Однако в некоторых приложениях фотодиоды могут подвергаться оптическим, электрическим, механическим и / или тепловым нагрузкам за пределами указанных диапазонов и, следовательно, ограничивать их срок службы.

2. Меняется ли отзывчивость со временем?
В герметичных детекторах, таких как металлические корпуса TO, не ожидается, что чувствительность изменится со временем.Однако в негерметично закрытых устройствах атмосферные загрязнения, а также влажность могут распространяться в активную зону и приводить к захватыванию центров, вызывая короткое замыкание в соединении.

3. Меняется ли темновой ток со временем?
Составляющая поверхностного темнового тока может изменяться со временем из-за влажности окружающей среды. Он также подвержен чистоте поверхности, загрязнению поверхности, то есть натрий из смазки для рук может значительно увеличить темновой ток. Объемный темновой ток не должен увеличиваться со временем.

В начало

4. Что такое выходной сигнал фотодиода?
Фотодиод работает как источник напряжения, а также как источник тока в ответ на падающий свет в диапазоне длин волн от 200 до 1100 нм. Измерение тока является предпочтительным, поскольку выходной ток изменяется линейно с мощностью падающего света. Однако выходное напряжение изменяется логарифмически с мощностью падающего света.

5. Насколько линейен выходной фототок в режиме источника тока?
Обычно она линейна от нескольких пикоампер до нескольких миллиампер.

В начало

6. Каков динамический диапазон типичного кремниевого фотодиода?
Динамический диапазон — это диапазон мощности падающего света, в котором выходной ток фотодиода линейно связан с входной мощностью и иногда выражается в децибелах:

Этот диапазон для типичного устройства составляет от 1 пиковатт до 10 милливатт, или 100 дБ

7. В чем разница между линейной матрицей ПЗС МОП и линейной решеткой фотодиодов?
Основное различие между ними — схема считывания выходного сигнала с каждого элемента линейного массива.В устройстве с зарядовой связью (ПЗС) сигнал (заряд) передается от одного элемента к следующему по строке, пока не достигнет конца, где он считывается последовательно с мультиплексированием по времени. В матрице фотодиодов (КПК) сигнал (ток) выводится на уникальный анод и катод каждого элемента. Следовательно, сигнал для КПК можно читать одновременно, а не последовательно и мультиплексировать.

В начало

8. Какова согласованность чувствительности от устройства к устройству?
соответствие чувствительности от устройства к устройству для элементов нашего каталога указано с 10%.

9. Может ли OSI Optoelectronics предоставить фотодиоды с согласованной чувствительностью?
OSI Optoelectronics за дополнительную плату может предоставить фотодиоды для согласования чувствительности в пределах указанного допуска на определенной длине волны. Свяжитесь с группой приложений для ваших конкретных требований.

В начало

10. Является ли внешняя часть активной области полностью нечувствительной к свету?
№. Излучение света на неактивную область, смежную с активной областью, может создавать небольшой фототок в детекторе.Величина этого сигнала зависит от многих параметров, таких как длина волны излучения, приложенное смещение и количество падающего света на активную область, а также расстояние от активной области.

11. Как уменьшить поглощение света в неактивной области?
Неактивная область кремния также поглощает свет и вносит свой вклад в общий фототок. Если этот вклад нежелателен, на неактивную область можно нанести металлический экран и / или черный полиамидный слой как часть процесса изготовления полупроводниковой пластины.

В начало

12. В чем разница между фотопроводящим (ПК) и фотоэлектрическим (PV) режимами?
В фотоэлектрическом режиме фотодиод не работает и не смещает. Он просто действует как солнечный зов, который преобразует свет в электричество. Однако в режиме фотопроводимости фотодиод может быть реверсивно смещен напряжением до указанного максимального обратного напряжения.

13. Какой режим (PV или ПК) я должен использовать для моего приложения?
Применение обратного смещения в режиме ПК вносит дополнительный шумовой ток в генерируемый фототок, тем самым уменьшая отношение сигнал / шум.Следовательно, рассмотрите возможность использования фотодиода в режиме ПК для высокоскоростных приложений (более 350 кГц) и / или в приложениях, требующих широкого динамического диапазона. Для обнаружения слабого сигнала предпочтительным режимом работы является режим PV.

В начало

14. Как сделать обратное смещение фотодиода?
Обратное смещение фотодиода достигается установкой катода детектора на более высокий электрический потенциал, чем у анода. Другими словами, подача отрицательного напряжения на анод.

15. Какое обратное смещение мне нужно применить?
Применяйте достаточно высокое обратное смещение, чтобы получить полосу пропускания, но достаточно низкое, чтобы избежать риска достижения обратного напряжения пробоя. Увеличение обратного напряжения увеличивает скорость отклика фотодиода за счет уменьшения емкости перехода.

В начало

16. Но как мне узнать, сколько смещения достаточно для работы в определенной полосе пропускания?
Как показывает опыт, необходимое смещение для определенного времени нарастания (или полосы пропускания) можно рассчитать исходя из времени нарастания, указанного для другого напряжения, с помощью следующего соотношения:
Например, если нарастание конкретного фотодиода при -5 В составляет 100 нс, а приложению требуется 45 нс, требуемое смещение составляет около -25 В.Используйте -0,3 В при работе в фотоэлектрическом режиме.

17. Что произойдет, если на фотодиод подано напряжение, превышающее заданное максимальное обратное смещение?
В устройстве может возникнуть пробой обратного смещения, если смещение превышает указанное нами максимальное значение, через устройство будет протекать большой ток, который может привести к разрушению фотодиода. Мы не рекомендуем использовать это устройство таким образом.

В начало

18. Не приводит ли это к необратимому повреждению фотодиода?
Да.

19. Что произойдет, если фотодиод по ошибке смещен вперед?
Фотодиоды при прямом смещении (положительное напряжение на аноде) со смещением более 0,7 В они будут проводить значительный ток. Если ток превышает определенный пороговый уровень или если время проводимости превышает указанную величину, устройство может быть необратимо повреждено. В собранном виде алюминиевый соединительный провод перегорит, если прямой ток превысит 100 мА.

Вернуться к началу

20.Используется ли определенный тип источника питания для смещения фотодиода?
Стабильный источник постоянного напряжения — это все, что требуется для обратного смещения фотодиода. Требования к источнику питания минимальны, поскольку устройство вырабатывает собственный ток.

21. Почему для некоторых устройств предусмотрен темновой ток, а для других — шунтирующее сопротивление?
Сопротивление шунта — это, по сути, темновой ток при измерении с приложенным обратным смещением -10 мВ. Это наклон вольт-амперной характеристики фотодиода при -10 мВ.Выбрано значение -10 мВ, поскольку теоретически при 0 В не должно быть темнового тока. Поскольку в режиме PV к фотодиоду не применяется смещение, темновой ток указывается в форме сопротивления шунта. Поскольку применяется смещение, режим ПК, используется термин темновой ток.

В начало

КМОП-фотоприемники | IntechOpen

1. Введение

Включение камер во все, от сотовых телефонов до ручек и детских игрушек, возможно из-за низкой стоимости и низкого энергопотребления матриц формирования изображений, которые составляют основу камер.Однако эти массивы дешевы и маломощны, потому что они основаны на КМОП; это позволяет производить устройства с использованием тех же процессов и средств, которые используются для производства памяти и компьютерных микросхем. Тем не менее, продолжающийся всплеск популярности имидж-сканеров CMOS выходит за рамки более низкой стоимости и зависит от других факторов, таких как способность интегрировать датчики с электроникой и возможность достижения быстрой настраиваемой частоты кадров [1].

В этой главе мы рассмотрим конструкцию и компоновку различных типов КМОП-фотоприемников и основы процессов фотопреобразования в этих устройствах, включая краткий обзор истории КМОП-фотодетекторов.Затем мы опишем появляющиеся технологии на основе КМОП в оптимизации конструкции фотодетектора для настройки чувствительности устройства, интеграцию микрооптики для достижения улучшенного обнаружения в условиях низкой освещенности, интеграцию структур фотонных решеток на фотодетекторах для селективности спектрального отклика и КМОП на основе биологических материалов. устройства визуализации. Завершим главу некоторыми примерами применения этих технологий.

2. История КМОП-фотодетектора

С середины 1960-х годов для преобразования света в электронные сигналы использовались комбинации p-n (или n-p-n) переходов [2, 3].Работа сосредоточена не только на преобразовании фотонов в электроны, но и на способности считывать сигналы из массивов пикселей. Например, Шустер и Штрулл сообщили в 1965 году, что они разработали матрицу фототранзисторов из 2500 пикселей со 100 выводами для считывания [4, 5]. Для этих первых устройств приходилось использовать пиксели с высоким коэффициентом усиления, поскольку не использовалось интегрирование света (или заряда). Годом позже Веклер продемонстрировал, как работать с фотодиодом на p-n-переходе в «режиме интеграции фотопотока», что позволило сделать пиксели намного проще и, в конечном итоге, меньше [6].Интеграция фотонов требовала, чтобы фотодиод был включен на фиксированное время для повышения (или понижения) уровня напряжения на устройстве хранения заряда; таким образом, количество оставшегося заряда (или заряда, который был удален) пропорционален интенсивности света за это время интегрирования.

В 1970-х годах КМОП-детекторы и матрицы формирования изображений начали терять популярность в пользу формирователей изображений на основе устройств с зарядовой связью (ПЗС), поскольку ПЗС-матрицы могли обеспечивать более высокий коэффициент заполнения; коэффициент заполнения был ниже для КМОП-формирователей изображения из-за необходимости использования транзисторов в пикселях для считывания и усиления.Возможность производить ПЗС-формирователи изображения с необходимым количеством пикселей для приложений (например, ТВ) дала ПЗС-матрицам большое преимущество перед КМОП-формирователями изображения [7]. Шум в ПЗС-матрице также был значительно меньше, чем в КМОП-устройствах; Обычно считалось, что фиксированный шаблонный шум в устройствах формирования изображения CMOS был хуже, чем в CCD, что оставалось верным до конца 1980-х и начала 1990-х годов. Однако улучшения в технологии изготовления КМОП и усиление требований по снижению энергопотребления для устройств с батарейным питанием положили начало возрождению КМОП в качестве жизнеспособного устройства формирования изображений.

Обычно считается, что первым матрицей CMOS-сенсоров для получения приемлемых изображений является формирователь изображения с активным пиксельным сенсором (APS) [8-10]. В конструкции APS использовался метод линейного интегрирования [6] для измерения света из-за генерируемого большого выходного сигнала, в отличие от логарифмического метода [11-16]. Датчик активного столбца (ACS) [17] похож на APS, но имеет более низкий фиксированный шаблонный шум (FPN). По состоянию на 2011 год у нас есть датчики изображения CMOS с разрешением 14,6 мегапикселей и выше.

В то время как КМОП и ПЗС продолжают конкурировать за долю на рынке матричных датчиков изображения, возможность разрабатывать специальные интегральные схемы (ИС) с фотодетекторами для выполнения определенных функций является огромным преимуществом перед матрицами ПЗС.Эти ИС часто используются в приложениях, которые имеют особые требования, такие как чрезвычайно низкое энергопотребление [18], переменная частота считывания (кадров) [19] или очень высокая скорость считывания [20]. Нормальная скорость видео 30 или 60 кадров в секунду подходит для видео стандартной четкости, но для некоторых приложений требуется частота кадров более тысячи кадров в секунду для захвата чрезвычайно быстро происходящих событий (например, см. [20]).

КМОП-фотодетекторы — предпочтительная технология для матриц интеллектуальной фокальной плоскости.В середине 1980-х Карвер Мид и Миша Маховальд представили кремниевую сетчатку, в которой в качестве светочувствительного элемента использовался «вертикальный биполярный транзистор» [21]. Это привело к значительному количеству исследований биологических чипов зрения, в которых использовались КМОП-фотодетекторы в сочетании со схемой обработки сигналов КМОП [22-32]. Как правило, эти микросхемы представляют собой массивы интеллектуальных пикселей со значительно большим количеством транзисторов на пиксель, чем три или четыре в типичных массивах на основе APS. Однако относительно низкая стоимость изготовления прототипов КМОП ИС позволяет проектировать, изготавливать и испытывать микросхемы с одним, двумя, десятками или тысячами детекторов.Для микросхем с небольшим количеством фотодетекторов оставшаяся площадь кремниевого кристалла может использоваться для обработки сигналов, считывания или логики цифрового интерфейса, поэтому не нужно тратить лишнее пространство. Применения этих специализированных детекторов и микросхем визуализации варьируются от устройств формирования изображений субретинального имплантата [33] до обнаружения бликов [34], флуоресцентных изображений [35, 36] и рентгеновских изображений [37], и это лишь некоторые из них. Изучение трех распространенных фотодиодных структур, доступных в процессах, не связанных с формированием изображений / стандартными КМОП процессами, предоставляет ценные эталонные данные для разработчиков, желающих использовать фотодетекторы КМОП [38].Хотя эта глава не является исчерпывающим изучением всех возможных КМОП-фотоприемников, она представляет собой полезную отправную точку для выбора наилучшей структуры для приложения.

3. Работа КМОП-фотоприемников

Сердцевиной чувствительного элемента КМОП-детектора является светочувствительный элемент схемы. Фотозатворы, фототранзисторы и фотодиоды можно использовать в качестве чувствительного элемента. В этом разделе обсуждается использование фотодиода. Как следует из названия, фотодиод — это просто переход между полупроводниками p-типа и n-типа, широко известный как p-n переход.Хотя для обнаружения света можно использовать простой переход p-n, более сложный переход p-i-n с внутренней областью между областями p-типа и n-типа часто используется для повышения эффективности устройства. В этом разделе будет обсужден основной принцип работы фотодиода, после чего будет обсуждаться фотодиод p-i-n и метод усиления сигнала, приводящий к лавинному фотодиоду.

3.1. Фотогенерация и рекомбинация в полупроводниках

Когда полупроводник освещается, фотон, который имеет более высокую энергию, h , чем энергия запрещенной зоны, E _g , может вызвать возбуждение электрона из более низкой валентной зоны энергии в более высокую. зона проводимости энергии.В результате получается пара мобильных носителей заряда — электроны и дырки. Этот процесс, известный как фотогенерация, может происходить, если сохраняется полная энергия и полный импульс между фотогенерированной электронно-дырочной парой и входящим фотоном.

Вероятность фотогенерации одним фотоном — это свойство материала. Макроскопически это описывается коэффициентом поглощения. Когда световой луч распространяется через кусок однородного полупроводника, его мощность экспоненциально уменьшается, поскольку полупроводник поглощает часть энергии для фотогенерации.Мощность, остающаяся в луче света после прохождения через глубину z, определяется выражением:

P = P0exp⁢-ϏzE1

, где P ₀ — интенсивность на нулевой глубине. Обратите внимание, что скорость поглощения dP / dz экспоненциально уменьшается с глубиной. Следовательно, ожидается, что больше фотогенерации будет происходить вблизи поверхности.

Поскольку фотогенерированные носители существуют в возбужденном состоянии, избыточные электроны и дырки будут рекомбинировать через короткий период времени (в среднем ~ пикосекунды), чтобы высвободить избыточную энергию.Этот процесс известен как рекомбинация, и он возвращает распределение носителей в состояние теплового равновесия. Эти избыточные носители теряются, если они не захватываются для создания электрического сигнала для обнаружения света. Следовательно, необходима структура полупроводникового устройства для облегчения захвата фотогенерированных носителей. Самой простой и наиболее часто используемой структурой для этой цели является диодная структура, известная как фотодиод (PD).

3.2. Квантовая эффективность и чувствительность

Перед обсуждением фотодиода следует обсудить два важных параметра, которые используются для характеристики эффективности обнаружения фотодетектором; это квантовая эффективность и отзывчивость.Квантовая эффективность определяется как вероятность того, что падающий фотон сгенерирует пару электрон-дырка, которая будет способствовать сигналу обнаружения, поэтому ее можно выразить как

ϕ = (1-R) ​​ϔ1-exp⁢ (-Ϗd) E2

где R — коэффициент отражения поверхности, ϔ — вероятность того, что генерируемая электронно-дырочная пара станет вкладом в сигнал обнаружения, а d — глубина области фотопоглощения. Следовательно, на квантовую эффективность влияют свойства материала и геометрия устройства.

Захваченные несущие используются для генерации сигнала в виде напряжения или тока. Показатель мощности сигнала от падающей мощности устройства называется чувствительностью. Если выход представляет собой ток, то он связан с квантовой эффективностью следующим выражением:

R = qhvϕ = qhcϙϕ = ϙ1,24 [нм⋄Вт / А] ϕE3

где q — заряд электрона, длина волны в нанометрах.

4. Фотодиод

Во многих фотоприемниках используется формирование p-n-переходов, и самым простым из них является фотодиод, потому что фотодиод — это просто p-n-переход, который предназначен для захвата фотогенерируемых носителей.В КМОП-датчике фотодиод обычно создается путем формирования области n-типа на полупроводниковой подложке p-типа или наоборот. Это можно сделать с помощью эпитаксиального роста, диффузии или ионной имплантации.

4.1. Быстрый обзор P-N перехода

На рисунке 1 показано распределение носителей заряда, распределение заряда, встроенное электрическое поле и зонная диаграмма типичного p-n перехода. Неоднородное распределение заряда и носителей является результатом состояния равновесия между диффузией, дрейфом и рекомбинацией.Ниже приводится обзор ключевых характеристик p-n-перехода,

1. Отсутствие носителей в области, известной как область обеднения или область пространственного заряда. Он имеет ширину слоя W и ионный объемный заряд доноров и акцепторов, выставленных в этой области.

Рисунок 1.

a) Диффузия носителей на pn переходе, (b) результирующее распределение плотности электронов и дырок, где Na и Nd — плотности акцепторов и доноров, (c) результирующее распределение плотности заряда, (d) результирующее электрическое поле и (e) зонная диаграмма pn-перехода, показывающая выравнивание уровня Ферми Ef и сдвиг зон.Ev — это верх валентной зоны, а Ec и дно зоны проводимости.

1. Из-за распределения заряда возникло встроенное электрическое поле E.

2. Выравнивание E _f между областью p-типа и n-типом, когда полосы проводимости и валентности смещаются в области истощения.

3. Существует разность потенциалов V ₀ между стороной p и стороной n.

4.2. Принцип работы

Работа фотодиода основана на разделении фотогенерируемых носителей встроенным полем внутри обедненной области p-n-перехода для создания электрического сигнала обнаружения.Под действием встроенного электрического поля фотогенерированные электроны будут дрейфовать в сторону n, а фотогенерированные дырки будут дрейфовать в сторону p. Фотогенерированные носители, которые достигают квазинейтральной области за пределами обедненного слоя, будут генерировать электрический ток, текущий от n-стороны к p-стороне; этот ток называется фототоком. Генерация фототока приводит к сдвигу ВАХ фотодиода, как показано на рисунке 2. Таким образом, ВАХ фотодиода выражается как

IL = Isexp⁢expqVkT-1-IphE4

где, первый член — это уравнение Шоттки, описывающее идеальные ВАХ, где I _S — ток насыщения, k — постоянная Больцмана и T — рабочая температура, а второй член, I _ph , — фототок.

Рис. 2.

Фотогенерация в pn переходе: (а) встроенное электрическое поле, вынуждающее фотогенерированные носители из обедненной области от перехода, и (б) смещение ВАХ из-за фотогенерированного тока, Iph.

4.3. Основные режимы работы

Фотодиод может работать в трех основных режимах: режиме холостого хода, режиме короткого замыкания и режиме обратного смещения (или фотопроводимости). Принципиальные схемы трех различных основных рабочих режимов показаны на рисунке 3.

Режим разомкнутой цепи (OC) также известен как фотоэлектрический режим. Как следует из названия, в этом режиме выводы фотодиода включены в разрыв цепи. В этом режиме через фотодиод не протекает чистый ток, но из-за фотогенерируемого тока на фотодиоде создается чистое напряжение, называемое напряжением холостого хода, V _OC . На Рисунке 2 (а) фотодиод работает в точке, где кривая ВАХ пересекает ось абсцисс.

Рис. 3.

Базовый режим работы PD: (a) режим разомкнутой цепи, (b) режим короткого замыкания и (c) режим обратного смещения.

Напротив, в режиме короткого замыкания (SC) клемма фотодиода закорачивается. Это позволяет фотогенерируемому току течь по петле, как показано на рисунке 3 (b). На рисунке 2 (b) это представлено точкой, в которой кривая ВАХ пересекает ось y. Ток, протекающий в контуре в режиме SC, также известен как короткое замыкание, I _sc , и имеет ту же величину, что и I _ph .

В режиме обратного смещения к фотодиоду прикладывается обратное смещение, как показано на рисунке 3 (c). Следовательно, он работает в нижнем левом квадранте рисунка 2 (b). Обратите внимание, что при приложении напряжения смещения разность потенциалов на p-n-переходе изменяется до V ₀ — V, а также изменяется баланс между дрейфом и диффузией в p-n-переходе. Это также повлияет на ширину истощения (W) и E. Зависимость W от напряжения смещения можно описать как,

W = K (V0-V) mjE5

где, K — постоянная величина, а m _j зависит от геометрии перехода (m _j = 1/2 для ступенчатого перехода и m _j = 1/3 для линейного перехода).Следовательно, работа с обратным смещением приводит к увеличению W. Увеличение W не так велико, как изменение разности потенциалов, потому что m _j <1, поэтому E также должно увеличиваться. С точки зрения распределения заряда и закона Гаусса, более широкая область истощения обнажает большую часть ионного пространственного заряда, что, в свою очередь, увеличивает электрическое поле.

Расширенная область обеднения при обратном смещении создает большую область фотогенерации, в то время как более сильное E увеличивает скорость дрейфа фотогенерированных носителей.В принципе, скорость дрейфа увеличивается пропорционально E, поэтому даже с увеличением W, определяемым уравнением (5), время прохождения (среднее время, в течение которого дрейфующий носитель достигает конца области обеднения) уменьшается. Таким образом, потери сигнала из-за рекомбинации в обедненной области уменьшаются. Из-за этих положительных эффектов часто предпочтительнее работать с обратным смещением.

4.4. Темновой ток

4.4.1. Ток насыщения — диффузия неосновных носителей

Как показано на рисунке 2 (b), существует небольшой ток при обратном смещении на ВАХ даже в темноте.Этот темновой ток вызван током насыщения I _S . На границах области обеднения неосновные носители (электроны на стороне p-типа и дырки на стороне n-типа) могут диффундировать в область обеднения. Из-за встроенного электрического поля эти диффузные неосновные носители могут дрейфовать в обедненную область; это источник тока насыщения. Следовательно, в фотодиодах существует темновой ток; однако процесс диффузии — не единственный вклад темнового тока.

4.4.2. Ток генерации-рекомбинации

Помимо диффузионного вклада в темновой ток носители, которые генерируются межзонными ловушками (дефектами) теплового возбуждения в обедненной области, также могут вносить вклад в темновой ток. Этот процесс с использованием ловушек по существу является обратным рекомбинации Шоттки-Рид-Холла (SRH). Так же, как фотогенерированные носители, носители, созданные генерацией с помощью ловушек в обедненной области, также могут быть унесены из обедненной области дрейфом, прежде чем они смогут рекомбинировать и сформировать часть темнового тока.Этот вклад темнового тока известен как ток генерации-рекомбинации (G-R), и он может быть более значительным, чем вклад диффузии.

4.4.3. Туннельные токи

При достаточном обратном смещении E _C на стороне n может упасть ниже E _V на стороне p. В этом состоянии существует конечная вероятность того, что электрон в валентной зоне p-стороны может туннелировать через запрещенную зону в зону проводимости n-стороны. Этот процесс называется прямым туннелированием или межполосным туннелированием.Если происходит достаточное количество событий прямого туннелирования, его вклад в темновой ток можно будет измерить.

Туннелирование также может происходить через состояние межполосной ловушки (дефект). Из-за теплового возбуждения носитель может быть захвачен в одно из этих состояний. Если это состояние существует в области обеднения и применяется достаточное обратное смещение, захваченный электрон из валентной зоны может иметь энергию выше, чем E _C , и может происходить туннелирование в зону проводимости. Это называется туннелем с ловушкой.

4.4.4. Ток поверхностной утечки

Из-за нарушения структуры кристаллической решетки на физической поверхности устройства может быть высокая плотность поверхностного заряда и интерфейсных состояний. Поверхностный заряд и состояния интерфейса могут влиять на положение обедненной области, а также действовать как центры генерации-рекомбинации. Следовательно, поверхность устройства может вносить еще один вклад в темновой ток, называемый током поверхностной утечки. Пассивация поверхности может использоваться для контроля тока утечки на поверхность.Обычно это достигается путем добавления на поверхность слоя изолятора, например оксида.

4.4.5. Ток Франкель-Пула

Когда к изолятору приложено достаточно большое электрическое поле, он начинает проводить. Это называется эффектом Франкеля-Пула. Этот эффект вызван уходом электронов из своего локализованного состояния в зону проводимости. Следовательно, эффект Франкеля-Пула может возникать и в полупроводнике. Когда к p-n-переходу прикладывается достаточно большое обратное смещение, электроны, генерируемые эффектом Франкеля-Пула, также могут вносить вклад в темновой ток.

4.4.5. Ток ударной ионизации

При обратном смещении движение носителей в обеднении можно описать как дрейф, при котором носители многократно ускоряются электрическим полем и сталкиваются с атомами в кристаллической решетке. При сильном обратном смещении ускорение между столкновениями может быть достаточно большим, чтобы носитель мог получить энергию, необходимую для того, чтобы сместить валентный электрон и создать новую пару электрон-дырка. Этот процесс известен как ударная ионизация, и он может генерировать новые носители, которые вносят вклад в обратный ток смещения.Когда приложенное обратное смещение превышает напряжение пробоя, V _bd , ударная ионизация становится доминирующим фактором поведения фотодиода, и говорят, что фотодиод работает в лавинном режиме.

4.4.6. Сводка темнового тока

В таблице 1 приведены различные темновые токи и их зависимость. Когда эти темновые токи принимаются во внимание, фотодиод больше не следует идеальной диодной характеристике. Подробное обсуждение темнового тока можно найти в [39].

Таблица 1.

Сводная таблица зависимости темнового тока, где a, a ’, b и c — константы.

4.5. Шум

В фотодиоде есть два основных механизма генерации шума: статистическая флуктуация количества носителей и фотонов и случайное движение носителей. Статистические колебания количества частиц являются причиной дробового шума. Среднеквадратическое значение флуктуации тока из-за дробового шума составляет

ish, rms = 2qIavg∅fE6

, где I _avg — средний ток сигнала, а f — ширина полосы сигнала.Отношение сигнал / шум (SNR) дробового шума определяется выражением

SNR = Iavg2q∅f.E7

Случайное движение несущих создает тепловой шум, также известный как шум Джонсона-Найквиста. Среднеквадратичное значение флуктуации тока из-за шума Джонсона-Найквиста составляет

ish, rms = 2kT∅fRLE8

, где R _L — сопротивление нагрузки.

4.6. Емкость и динамический отклик

В применении фотодиода для высокоскоростного обнаружения света динамический отклик фотодиода имеет первостепенное значение.Динамический отклик фотодиода зависит от скоростей дрейфа фотогенерированных носителей, емкости перехода, связанной с объемным зарядом в обедненной области, и диффузии фотогенерированных носителей из квазинейтральных областей в диффузионную область. Задержка, связанная с дрейфом, может быть охарактеризована временем прохождения, количеством времени, которое требуется фотогенерированному носителю для достижения квазинейтральной области. Это просто:

ttr = vdriftx = ϚExE9

где v _drift — скорость дрейфа, x — расстояние от точки фотогенерации до квазинейтральной области и — подвижность носителя.Тогда максимально возможное время прохождения равно

ttrmax = ϚEW.E10

Другой фактор задержки связан с зависимостью ширины обедненного слоя от напряжения смещения. Изменение напряжения смещения изменит ширину обедненной области, как описано W = K (V0-V) mj Уравнение (5), что, в свою очередь, изменит величину открытого пространственного заряда. Это изменение величины пространственного заряда из-за изменения напряжения смещения можно просто смоделировать с помощью емкости перехода. Емкость перехода определяется выражением

CPD = AWE11

, где — диэлектрическая проницаемость, A — площадь поперечного сечения p-n перехода.

Фотогенерированные носители в квазинейтральной области обычно теряются в результате рекомбинации. Однако иногда неосновные частицы фотогенерированной электронно-дырочной пары могут диффундировать в обедненную область и вносить вклад в фотогенерированный ток. Хотя вклад этой диффузии носителей в общий сигнал невелик, наблюдается задержка из-за этого процесса диффузии [40, 41]. Время, необходимое неосновным носителям в квазинейтральной области для диффузии в обедненную область, составляет приблизительно

tdiff = x24DE12

, где x — расстояние носителя до границы обедненной области, а D — постоянная диффузии.

5. Режим накопления для интеграции сигнала при формировании изображения

Основные рабочие режимы очень полезны для измерения в реальном времени интенсивности света, падающего на фотодиод. Однако в приложениях для обработки изображений часто предпочтительнее интегрированный сигнал от фотодиода. Интегрированный сигнал от накопления фотогенерированного заряда обеспечивает форму статистического бинирования. Это статистическое объединение не только обеспечивает более сильный накопительный сигнал, но и накопительный сигнал является более точным представлением интенсивности света, попадающего на пиксель в течение периода интегрирования сигнала, чем мгновенное измерение, особенно для слабых или зашумленных сигналов.Кроме того, в приложениях для обработки изображений период интеграции пикселей можно синхронизировать с помощью затвора. В этом случае сохраненный заряд может считываться один за другим после экспонирования. Результат — изображение.

Накопление заряда может быть достигнуто в режиме накопления, и оно используется в формировании изображений CCD и CMOS.

Рисунок 4.

Абстрактное представление схемы для работы фотодиода в режиме накопления

На Рисунке 4 (a) показано абстрактное представление схемы для работы фотодиода в режиме накопления.Эта схема представляет собой элемент схемы пикселя в матрице формирования изображения. Целью схемы является накопление фотогенерированных носителей (в виде заряда) в течение установленного периода времени и считывание количества накопленного заряда как напряжения V _{на выходе} . Вот описание рабочего цикла, предполагая, что имеется оптический затвор для управления экспозицией:

1. Для начала переключатель сброса замкнут. Фотодиод имеет обратное смещение, и V _D = V _DD .

2. Переключатель сброса открывается, за ним следует заслонка. V _D начинает падать.

3. После t _int , заслонка закрывается, за ней следует переключатель чтения, и V _out = V _D .

4. Переключатель чтения открывается, а затем переключатель сброса закрывается. Схема возвращается в исходное состояние.

Чтобы измерить яркость пикселя для одного изображения, требуется только один цикл операции. Для измерения серии изображений (например,грамм. при видеозаписи) рабочий цикл может повторяться непрерывно. Во время фазы интегрирования скорость падения напряжения зависит от I _ph , I _d и C _PD , что можно описать следующим дифференциальным уравнением:

dVDdt = -Iph + IdCPDE13

Обратите внимание, что C _PD изменяется в зависимости от напряжения смещения. Как обсуждалось в [42], это падение напряжения обычно линейно для широкого диапазона значений ниже V _DD . Следовательно, показания напряжения в конце периода интегрирования можно использовать как измерение количества света, попавшего на пиксель во время фазы интегрирования.

6. Обнаружение активных пикселей КМОП

Существует много способов реализовать обнаружение пикселей КМОП с использованием режима накопления. Простейшей реализацией активного считывания пикселей является T3-APS, как показано на рисунке 5. В этой реализации MOSFET используется для управления током сброса. Другой МОП-транзистор используется в качестве повторителя истока (SF), чтобы поддерживать выходное напряжение таким же, как V _D , а управление считыванием осуществляется еще одним МОП-транзистором (Select). SF-FET предотвращает разряд во время считывания; следовательно, можно дважды перечитать один и тот же пиксель без потери V _D .Из-за сложности подавления теплового шума и других конструктивных ограничений [43-45], T3-APS был заменен другой реализацией, такой как T4-APS [43, 44, 46].

Рис. 5.

Реализация T3-APS для распознавания пикселей CMOS. Схема фотодиода

| Продукты и поставщики

Продукты и услуги

• Все
• Новости и аналитика
• Продукты и услуги
• Библиотека стандартов
• Справочная библиотека
• Сообщество

ПОДПИСАТЬСЯ

АВТОРИЗОВАТЬСЯ

Я забыл свой пароль.

Нет учетной записи?

Зарегистрируйтесь здесь.

Дом

Новости и аналитика

Последние новости и аналитика
Аэрокосмическая промышленность и оборона
Автомобильная промышленность
Строительство и Строительство
Потребитель
Электроника
Энергия и природные ресурсы
Окружающая среда, здоровье и безопасность
Еда и напитки
Естественные науки
Морской
Материалы и химикаты
Цепочка поставок
Пульс360
При поддержке AWS Welding Digest

Товары

Строительство и Строительство
Сбор данных и обработка сигналов
Электрика и электроника
Контроль потока и передача жидкости
Жидкая сила
Оборудование для обработки изображений и видео
Промышленное и инженерное программное обеспечение
Промышленные компьютеры и встраиваемые системы
Лабораторное оборудование и научные инструменты
Производственное и технологическое оборудование
Погрузочно-разгрузочное и упаковочное оборудование
Материалы и химикаты
Механические компоненты
Движение и управление
Сетевое и коммуникационное оборудование
Оптические компоненты и оптика
Полупроводники
Датчики, преобразователи и детекторы
Специализированные промышленные товары
Контрольно-измерительное оборудование
Все каталоги продукции

Сервисы

Строительные услуги
Бизнес-услуги
Услуги по калибровке и тестированию
Контрактное производство и изготовление
Контрактное производство электрического и электронного оборудования
Инженерно-технические услуги
Услуги промышленной автоматизации
Промышленное обслуживание
Услуги по транспортировке материалов и упаковке
Специализированные промышленные услуги

Библиотека стандартов
Справочная библиотека
Сообщество

Справочник поставщиков
Каталог продукции.