Valodiodi

Valodiodin on puolijohde komponentti , jolla on kyky kaapata säteily pois optisesta domeenin ja muuntaa sen sähköiseksi signaaliksi .

Kenraali

Kuten monet elektroniikan diodit , se koostuu PN-liitoksesta . Tätä peruskokoonpanoa parannettiin luomalla sisäinen vyöhyke (I) PIN-valodiodin muodostamiseksi . Polarisaation puuttuessa (kutsutaan aurinkosähkömoodiksi) se luo jännitteen. Ulkoisen virtalähteen esijännitetyssä suunnassa (fotoamperinen tila) se luo virran. On olemassa 3 erillistä aluetta:

1. tila vastaa vyöhykkeen (ZCE) yleisesti kutsutaan ehtyminen ja diffuusiovyöhykkeen
2. N-tyypin neutraali alue
3. P-tyypin neutraali alue .

Tämä komponentti on optoelektroniikka .

Operaatio

Kun puolijohde altistuu valoisa vuon , fotonit absorboituvat edellyttäen, että fotonin energia ( ) on suurempi kuin leveys kielletty nauhan (E g ). Tämä vastaa tarvittavaa energiaa, jonka elektronin on absorboitava, jotta se voi poistua valenssikaistalta (missä se varmistaa rakenteen yhtenäisyyden) johtotaajuutta kohti, mikä tekee siitä liikkuvan ja kykenevän tuottamaan sähkövirtaa . Kielletyn kaistan olemassaolo johtaa absorbointikynnyksen, kuten . Fotonin imeytymisen aikana voi esiintyä kaksi ilmiötä: Esh=hv{\ displaystyle E_ {ph} = h \ nu}hv0=Eg{\ displaystyle h \ nu _ {0} = E_ {g}}

• Photoemission  : lähtö elektronin pois valoherkkä materiaali. Elektroni voi poistua vain, jos se on innoissaan lähellä pintaa.
• Valojohtavuuden  : elektronin vapautuu materiaalin sisällä. Näin vapautuneet elektronit vaikuttavat materiaalin sähkönjohtavuuteen.

Kun fotonit syöttää puolijohteen riittävästi energiaa, ne voivat luoda ylimääräinen kuva kantajia ( elektronit ja elektroni reikiä ) materiaaliin. Sitten havaitaan virran kasvu. Kaksi mekanismia puuttuu samanaikaisesti:

• On olemassa vähemmistökantajia, toisin sanoen elektroneja P-alueella ja reikiä N-alueella, jotka todennäköisesti saavuttavat ZCE: n diffuusion avulla ja kulkeutuvat sitten alueille, joilla ne ovat enemmistö. Itse asiassa kerran ZCE: ssä polarisaation kääntyessä päinvastoin suositaan vähemmistöjen siirtymistä kohti etusijavyöhykettään. Nämä kantoaallot auttavat siten luomaan diffuusiovirtaa.
• ZCE: ssä on elektronireiäparien muodostumista, jotka hajoavat sähkökentän vaikutuksesta; elektronin liittyessä vyöhykkeeseen N, reikä vyöhykkeeseen P. Tätä virtaa kutsutaan sähkönsiirtovirraksi tai valovirraksi.

Nämä kaksi osuutta lisätään luomaan valovirta I ph, joka lisätään liitoksen vastavirtaan. Risteyksen ylittävän virran ilmaisu on tällöin: Minäd=Minäs(eEgeiUt-1)-Minäsh{\ displaystyle I_ {d} = I_ {s} (e ^ {E_ {g} \ yli nU_ {t}} - 1) -I_ {ph}}

Sähköiset eritelmät

Valodiodia voidaan esittää virtalähteellä I ph (valaistuksesta riippuen) rinnakkain kapasiteettiliitoksen C j ja suurta arvoa olevan shuntin R sh vastuksen kanssa (luonnehtii vuotovirtaa), "yhdessä ollessa sarjassa sisäinen vastus R s  :

• shunt-vastus: Ihanteellisen valodiodin shunt-vastus on ääretön. Todellisuudessa tämä vastus on välillä 100 kΩ - 1 GΩ fotodiodin laadusta riippuen. Tätä vastusta käytetään vuotovirran (tai melun) laskemiseen aurinkosähkömoodissa, toisin sanoen ilman fotodiodin polarisaatiota.
• risteyskapasiteetti: tämä kapasiteetti johtuu kuormitusvyöhykkeestä; se on kääntäen verrannollinen avaruuspanoksen (W) leveyteen . Missä A on fotodiodin leikattu pinta. W on verrannollinen käänteiseen esijännitteeseen ja kapasitanssi pienenee esijännityksen kasvaessa. Tämä kapasitanssi värähtelee noin 100 pF: ssä heikosta polarisaatiosta muutamaan kymmeneen pF: iin korkean polarisaation ollessa kyseessä.VSj=5SVSWAT{\ displaystyle C_ {j} = {\ delta _ {SC} \ yli W} A}
• sisäinen vastus: tämä vastus johtuu pääasiassa alustan kestävyydestä ja kosketusresistansseista. R s voi vaihdella välillä 10 ja 500Ω riippuen pintaan valodiodin.

Muut ominaisuudet:

• vasteaika: se määritellään yleensä ajaksi, joka tarvitaan saavuttamaan 90% valodiodin lopullisesta virrasta. Tämä aika riippuu kolmesta tekijästä:
  • t kauttakulku  : liikenteenharjoittajien matka-aika avaruusvarausalueella.
  • t diffuusio  : kantoaaltojen matka-aika neutraaleilla alueilla.
  • aikavakio t τ  : ekvivalentin piirin aikavakio (vastus R S + R C ja kapasitanssi C j + C γ ) . Näin ollen aika vakio on yhtä suuri kuin: . Mutta joka kerta on vaikea määrittää; vain kokonaisaika otetaan huomioon. Yleensä lähetysaika on hitaampi kuin kuljetusaika.tτ=(RS+RVS)(VSj+VSy){\ displaystyle t _ {\ tau} = (R_ {S} + R_ {C}) (C_ {j} + C _ {\ gamma})}ttrkloeisit2+tdiffusioei2+tτ2{\ displaystyle {\ sqrt {{t_ {transit}} ^ {2} + {t_ {diffuusio}} ^ {2} + {t _ {\ tau}} ^ {2}}}}
• valoherkkyys  : sen määrittelee ja määrittää käyttöolosuhteet (200 nA / Lux germanium (Ge) -valodiodeille, 10 nA / Lux pii (Si) -valodiodeille). Ge-valodiodit osoittavat suurempaa valoherkkyyttä, mutta niiden tumma virta on merkittävä I 0 = 10 uA. Sen vuoksi on edullista käyttää Si fotodiodeja (I 0 = 10 pA) havaitsemiseksi heikossa valaistuksessa.Ssh=ΔMinäshΔE{\ displaystyle S_ {ph} = {\ Delta I_ {ph} \ over \ Delta E}}
• sieppaustehokkuus: tämä on risteyksen ylittävien alkuvarausten määrän suhde tulevien fotonien määrään. Tämä hyötysuhde riippuu säteilyn aallonpituudesta ja komponentin rakenneparametreista. Se määrittelee ilmaisimen spektrin käyttöalueen.

Optimointi

Paremman kvanttitehokkuuden saavuttamiseksi suurin osa valokantoaineista on luotava ZCE: ssä, jossa rekombinaatioprosentti on pieni. Tämä säästää fotodiodin vasteaikaa. Tämän ehdon saavuttamiseksi valodiodin tulisi olla mahdollisimman ohut etuosa. Tämä ehto kuitenkin rajoittaa absorboidun säteilyn määrää. Siksi on kysymys kompromissin ottamisesta absorboidun säteilyn määrän ja fotodiodin vasteajan välillä: yleensä . W on ZCE: n leveys ja a, absorptiokerroin. W≥1a{\ displaystyle W \ geq {1 \ over \ alpha}}

Olemme juuri nähneet edun siitä, että avaruusvarausvyöhykkeellä on riittävän suuri valovirta, joka syntyy olennaisesti tälle vyöhykkeelle ja riittävän ohut, jotta kuljetusaika ei ole liian pitkä. On kuitenkin mahdollista lisätä keinotekoisesti lisäämällä luonnollinen alue I N- ja P-tyypin alueiden välille, mikä johtaa toisen tyyppiseen fotodiodiin: PIN-valodiodit .

Jos rakenteen käänteinen polarisaatio on riittävä, koko sisäisellä vyöhykkeellä on voimakas sähkökenttä ja valokuvakantajat saavuttavat hyvin nopeasti raja-nopeutensa. Näin saadaan erittäin nopeita valodiodeja. Lisäksi tyhjenemisalueen (ZCE) sähkökenttä estää kantajien rekombinaation, mikä tekee valodiodista erittäin herkän.

Valotransistoreiden kotelo

Operaatio

Valotransistori on valolle herkkä transistori. Sen keksi vuonna 1948 Bell Laboratories -tutkija John Shive , mutta keksintö julkistettiin vasta vuonna 1950. Yleinen valotransistorityyppi on ns. Bipolaarinen transistori, joka on kääritty läpinäkyvään kuoreen, joka mahdollistaa valon saavuttamisen. peruskerääjän risteys. Pohjan sanotaan sitten olevan kelluva, koska sillä ei ole yhteyttä. Kun kantaa ei ole valaistu, vuotovirta I CE0 kulkee transistorin läpi . Pohjan valaistus johtaa valovirtaan I ph, jota voidaan kutsua transistorin ohjausvirraksi.

Tämä näkyy kollektori-kanta muodossa: . MinäVS=βMinäsh+MinäVSE0{\ displaystyle I_ {C} = \ beta I_ {ph} + I_ {CE0}}

Yksinkertaistamiseksi, kun pohja valaistaan, fototransistori vastaa suljettua kytkintä emitterin ja kollektorin välillä ja kun kantaa ei ole valaistu, se vastaa avointa kytkintä.

Valotransistorin valovirta on kollektoripohjaisen valodiodin valovirta kerrottuna transistorin vahvistuksella β. Sen valoherkkä reaktio on siten huomattavasti korkeampi kuin fotodiodin (100 - 400 kertaa enemmän). Toisaalta tumma virta on tärkeämpää.

Toinen ero havaitaan fototransistorin ja fotodiodin välillä: fototransistorin pohja on paksumpi, mikä johtaa suurempaan aikavakioon ja siten pienempään rajataajuuteen kuin fotodiodien. Valinnaisesti rajataajuutta voidaan lisätä vähentämällä valoherkkyyttä kytkemällä tukiasema lähettimeen .

Sovellus

Assosiaatiossa infrapuna -LED , tavallisimmat ovat robotiikan tapaukseen linjan seuraaja (musta viiva valkoisella pohjalla) toteaminen tai esteet lyhyillä matkoilla.

Huomautuksia ja viitteitä

1. (in) Michael Riordan ja Lillian Hoddeson, Crystal Fire: The Invention of transistorin ja syntymän Information Age ,1998, 352  Sivumäärä ( ISBN  978-0-393-31851-7 )
2. (in) "  fototransistoria  " päälle smecc.org

Liitteet

Aiheeseen liittyvä artikkeli

• Valokenno

Ulkoiset linkit

• Asiakirja-aineisto valodiodit on ABC elektroniikka verkkosivuilla
• Tiedosto optisista antureista wikiversité-verkkosivustolla