31. Фотодиоды и светодиоды. Структуры и схемы подключений
Фотодиод, работа которого основана нафотовольтаическом эффекте(разделение электронов и дырок в p- и n- области, за счёт чего образуется заряд (ЭДС)) называется солнечным элементом. Кроме p-n фотодиодов существуют и p-i-n фотодиоды, в которых между слоями p- и n- находится слой изолятора i. p-n и p-i-n фотодиоды только преобразуют свет в электрический ток, но не усиливают его, в отличие от лавинных фотодиодов ифототранзисторов.
При воздействии квантовизлучения в базе происходит генерация свободных носителей, которые устремляются к границе p-n-перехода. Ширина базы (n-область) делается такой, чтобы дырки не успевали рекомбинировать до перехода в p-область.Токфотодиода определяется током неосновных носителей — дрейфовым током. Быстродействие фотодиода определяется скоростью разделения носителей полем p-n-перехода и ёмкостью p-n-перехода Cp-n
Фотодиод может работать в двух режимах:
-фотогальванический — без внешнего напряжения
-фотодиодный — с внешним обратным напряжением
Особенности:
-простота технологии изготовления и структур
-сочетание высокой фоточувствительности и быстродействия
-малое сопротивление базы
Светодио́д или светоизлучающий диод — полупроводниковый прибор, излучающий некогерентный свет при пропускании через него электрического тока. Излучаемый свет лежит в узком диапазоне спектра, его цветовые характеристики зависят от химического состава использованного в нем полупроводника.
Как и в любом полупроводниковом диоде, в светодиоде имеетсяp-n переход. При пропускании электрического тока в прямом направлении, носители заряда —электроныидырки— рекомбинируют с излучениемфотонов(из-за перехода электронов с одного энергетического уровня на другой).
По сравнению с другими электрическими источниками света (преобразователями электроэнергии в электромагнитное излучение видимого диапазона), светодиоды имеют следующие отличия:
-Высокий КПД. Современные светодиоды уступают по этому параметру только люминесцентной лампе с холодным катодом (CCFL).
-Высокая механическая прочность, вибростойкость (отсутствие спирали и иных чувствительных составляющих).
-Длительный срок службы. Но и он не бесконечен — при длительной работе и/или плохом охлаждении происходит «отравление» кристалла и постепенное падение яркости.
-Специфический спектральный состав излучения. Спектр довольно узкий. Для нужд индикации и передачи данных это — достоинство, но для освещения это недостаток. Более узкий спектр имеет только лазер.
-Малый угол излучения — также может быть как достоинством, так и недостатком.
-Безопасность — не требуются высокие напряжения.
-Нечувствительность к низким и очень низким температурам. Однако, высокие температуры противопоказаны светодиоду, как и любым полупроводникам.
-Отсутствие ядовитых составляющих (ртутьи др.) и, следовательно, лёгкость утилизации.
Светодиоды и фотодиоды
Светодиод — это полупроводниковый прибор, который излучает свет при пропускании через него тока в прямом направлении. Светодиод в электрической цепи ведёт себя также как обычный диод, только прямое напряжение светодиода в зависимости от типа светодиода составляет от 1,5 до 2,5 В, то есть при прямом включении светодиода падение напряжения на нём составляет 1,5…2,5 В. Этот эффект иногда используется в стабилизаторах напряжения, когда требуется получить стабильное напряжение в диапазоне 1,5…2,5 В (см. раздел Стабилитроны).
Рабочий ток светодиода лежит обычно в диапазоне 5…20 мА, поэтому практически во всех случаях питание светодиода выполняется через гасящий резистор. Рабочий ток указывается в справочниках. Длительное превышение рабочего тока приводит неисправности светодиода. Пример расчета гасящего резистора и схема включения светодиода найдётся здесь: Применение резисторов. Если вы знакомы с электроникой, микропроцессорами (или хотите с этими темами познакомиться), то рекомендую книгу Как стать программистом, где вы узнаете как подключить светодиоды к микропроцессору и как заставить их работать по заданной программе.
Светодиоды бывают разных цветов и типов. Они могут испускать как видимое излучение, так и инфракрасное (ИК-излучение). Инфракрасное излучение невидимо для человеческого глаза. Светодиоды в настоящее время используются очень широко, например, в различных устройствах индикации. Некоторое время назад появились сверхъяркие светодиоды, которые используются для освещения помещений вместо ламп. Такие светодиоды потребляют в десятки раз меньше электроэнергии и имеют срок службы 30000 часов и выше, что в сотни раз больше срока службы любых ламп. Правда, стоимость таких светодиодов пока высока.
Рис. 4. Светодиоды.
Фотодиод – это полупроводниковый прибор, который имеет светочувствительную поверхность. В зависимости от величины освещённости этой поверхности, меняется ток через фотодиод, если на него подано напряжение (фотодиод включается в обратном направлении, как и стабилитрон). Этот эффект используется в различных оптических датчиках. Например, пара светодиод-фотодиод используется в компьютерной мыши, подробнее см. здесь: Ремонт компьютерной мыши. Такой режим работы носит название фотодиодный режим.
Однако фотодиод может работать и в режиме генерации электроэнергии (солнечные батареи). В этом случае напряжение на светодиод не подаётся, а наоборот, снимается. Это называется фотогальванический режим.
Таким образом, принцип работы фотодиода определяется выбранным режимом. В фотодиодном режиме фотодиод может работать как датчик освещённости. В фотогальваническом – как источник электроэнергии. Конечно, один фотодиод – это очень слабый источник электроэнергии. Для того чтобы получить хоть какую-то реальную энергию, нужно включить вместе десятки и сотни фотодиодов. Отсюда и внушительные размеры солнечных батарей.
Примеры внешнего вида светодиодов приведены на рис. 4. Примеры внешнего вида фотодиодов приведены на рис. 5 (по центру – ИК-фотодиод; ИК-фотодиоды обычно имеют «тонировку», чтобы исключить засветку от внешних источников). Условное графическое обозначение (УГО) светодиодов и фотодиодов изображено на рис. 6.
Рис. 5. Фотодиоды.
Рис. 6. УГО фотодиодов и светодиодов.
В былые времена, когда радиолюбителей в стране было много, а радиодеталей почему-то мало, достать светодиоды, а тем более фотодиоды заводского изготовления было крайне сложно. Поэтому электронщики-любители делали фотодиоды из обычных германиевых транзисторов серий МП38…МП42. Эти транзисторы изготавливались в металлическом корпусе. Чтобы превратить транзистор в фототранзистор, надо было осторожно спилить верхнюю часть корпуса. Тогда транзистор мог работать как фототранзистор. Конечно, это была не совсем адекватная альтернатива. Однако, как известно, на безрыбье…
Фотодиоды. Разновидности и принцип работы фотодиода.
Под фотодиодами принято понимать полупроводниковые конструкции, характеризующиеся чувствительностью к световому потоку. С точки зрения функционала светодиод призван трансформировать световой поток в электрическую энергию. Необходимо отметить, что речь не идет о преобразовании значимых мощностей, прибор в подавляющем большинстве случаев выполняет управляющую функцию в установках.
Принцип работы
В основе всего лежит внутренний фотоэффект. В полупроводниковой пластине, расположенной внутри диода, под воздействием светопотока возникает формирование неравновесных положительных и отрицательных носителей: электронов и дырок. В результате появляется ЭДС.
В утрированном формате процесс можно представить следующим образом:
- При освещении p-n-перехода наблюдается поглощение квантов света.
- За счет полученной энергии образуются фотоносители.
- Под влиянием ЭДС дырки переходят в p-зону, а электроды остаются в n-зоне.
- За счет разделения формируется разность потенциалов и появляется обратный ток.
Спрятав, фотодиод в корпус или темный кожух, пользователь получает стандартный диод – не более.
Разновидности и отличия фотодиодов
Высокая востребованность прибора и широкая сфера применения привели к появлению достаточно большого количества разновидностей.
- P-i-N. В данном случае на разграничении положительной и отрицательной зон создается дополнительная полоса с собственной проводимостью и достаточно основательным сопротивлением. Это сделано в первую очередь для расширения рабочего диапазона частот.
- Лавинные. За счет так называемого лавинного усиления, реализуемого в устройстве, удается обеспечить максимально высокую чувствительность даже к самому слабому освещению. Но самое главное, лавинные фотодиоды позволяют фиксировать малейшие изменения в освещении.
- С барьером Шоттки. Наличие соединения металла и полупроводника обеспечивает достаточно мощное поле, способное перемещать не дополнительные, а основные носители заряда.
- С гетероструктурой. Речь идет об устройствах, у которых используется два слоя полупроводников. Между ними как раз и располагается этот гетерогенный слой. При грамотном подборе материалов полупроводников, их размеров и ширины зазора добиваются работы прибора в полном волновом диапазоне.
Как правильно подобрать искомый фотодиод
В подавляющем большинстве случаев в схемах применяется пара светодиод-фотодиод. Один элемент данного тандема свет излучает, второй – соответственно, принимает. При этом может изменяться расстояние между ними, появляться препятствия, за счет чело и достигается нужный результат.
При выборе фотодиода в этом случае ориентируются на параметры светодиода. При этом можно и нужно учитывать следующие технические характеристики фотодиода:
- чувствительность стандартная и пороговая (то есть минимальная);
- постоянная времени, описывающая быстродействие прибора – иногда этот параметр оказывается определяющим при выборе;
- световая, вольт-амперная, спектральные характеристики;
- и некоторые другие.
В общем, выбор фотодиодов осуществляется под конкретные цели, и доверять эту процедуру лучше опытным, квалифицированным инженерам-электроникам.
какая разница между фотодиодом и светодиодом?
Фото — принимает свет (открывается-закрывается под воздействием света) , светодиод — излучает при прямом включении.
Остальные ответы
Противоположная.
Светодиод светится (красивыми огоньками) . Сейчас выпускают светодиоды самых рахных цветов.
А фотодиод реагирует на свет — он просто начинает проводить ток при освещении и не проводит в темноте.
Т. е. — это совершенно разные устройства по своему назначению.
фотодиод реагирует на свет а светодиод его генерирует
фотодиод регистрирует излучение, светодиод излучает
Фотодиод-воспринимает внешний свет и реагирует на него электрическим образом. Светодиод-реагирует от электричества-светом, накалом, яркостью!
Непринципиальная, небольшие химические примеси. Светодиод тоже обладает светочувствительностью.
впринципе светодиод, особенно инфракрасный при освещении таким же светодиодом проявляет себя как фотодиод