Čo je to fotodióda: Pracovný princíp a jeho charakteristiky

Fotodióda je a Prechodová dióda PN ktorý spotrebováva svetelnú energiu na výrobu elektrického prúdu. Niekedy sa tomu hovorí aj foto-detektor, detektor svetla a foto-senzor. Tieto diódy sú určené predovšetkým na prácu v podmienkach reverzného predpätia, to znamená, že strana P fotodiódy je spojená so záporným pólom batérie a strana n je spojená s kladným pólom batérie. Táto dióda je veľmi zložitá na svetlo, takže keď na ňu dopadne, ľahko zmení svetlo na elektrický prúd. Solárny článok sa preto tiež označuje ako veľkoplošná fotodióda premieňa slnečnú energiu na elektrickú . Solárny článok však funguje iba v jasnom svetle.

Čo je fotodióda?

Fotodióda je jeden typ detektora svetla, ktorý sa používa na premenu svetla na prúd alebo napätie na základe prevádzkového režimu zariadenia. Skladá sa z optických filtrov, vstavaných šošoviek a tiež povrchových plôch. Tieto diódy majú pomalý čas odozvy, keď sa zväčšuje povrch fotodiódy. Fotodiódy sú podobné ako bežné polovodičové diódy, ale môžu byť buď viditeľné, aby svetlo preniklo do citlivej časti zariadenia. Niekoľko diód určených pre použiť presne ako fotodióda tiež trochu použije spojenie PIN ako bežné spojenie PN.

Niektoré fotodiódy budú vyzerať svetlo emitujúca dióda . Majú dva terminály prichádzajúce od konca. Menší koniec diódy je vývod katódy, zatiaľ čo dlhší koniec diódy je vývod anódy. Na nasledujúcej schematickej schéme sú anódové a katódové strany. Za podmienok predpätia bude konvenčný prúd tiecť z anódy do katódy podľa šípky v symbole diódy. Fotoprúd tečie opačným smerom.

Druhy fotodiódy

Aj keď je na trhu k dispozícii množstvo druhov fotodiód a všetky pracujú na rovnakých základných princípoch, niektoré sú vylepšené ďalšími efektmi. Práca s rôznymi typmi fotodiód funguje trochu iným spôsobom, ale základná prevádzka týchto diód zostáva rovnaká. Typy fotodiód je možné klasifikovať na základe ich konštrukcie a funkcií nasledovne.

• PN fotodióda
• Foto dióda Schottky
• PIN fotodióda
• Lavínová fotodióda

PN fotodióda

Prvý vyvinutý typ fotodiódy je typ PN. V porovnaní s inými typmi nie je jeho výkon pokročilý, v súčasnosti sa však používa vo viacerých aplikáciách. Fotodetekcia sa deje hlavne v oblasti vyčerpania diódy. Táto dióda je dosť malá, ale jej citlivosť nie je v porovnaní s ostatnými veľká. Viac informácií o dióde PN nájdete na tomto odkaze.

PIN fotodióda

V súčasnosti je najbežnejšie používanou fotodiódou typ PIN. Táto dióda zhromažďuje svetelné fotóny účinnejšie v porovnaní so štandardnou fotodiódou PN, pretože veľká vnútorná oblasť medzi oblasťami P a N umožňuje zhromažďovanie väčšieho množstva svetla a okrem toho ponúka aj menšiu kapacitu. Ďalšie informácie o dióde PIN nájdete na tomto odkaze.

Lavínová fotodióda

Tento druh diódy sa používa v oblastiach so slabým osvetlením kvôli vysokej úrovni zosilnenia. Vytvára vysokú hladinu hluku. Táto technológia teda nie je vhodná pre všetky aplikácie. Viac informácií o lavínovej dióde nájdete na tomto odkaze.

Schottkyho fotodióda

Schottkyho fotodióda používa Schottkyho diódu a obsahuje malú diódovú križovatku, čo znamená, že je malá kapacita križovatky, takže pracuje pri vysokých rýchlostiach. Tento druh fotodiódy sa teda často používa v optických komunikačných systémoch s veľkou šírkou pásma (BW), ako sú odkazy z optických vlákien. Ďalšie informácie o Schottkyho dióde nájdete na tomto odkaze.

Každý typ fotodiódy má svoje výhody a nevýhody. Výber tejto diódy je možné vykonať na základe aplikácie. Medzi rôzne parametre, ktoré sa majú brať do úvahy pri výbere fotodiódy, patria hlavne šum, vlnová dĺžka, obmedzenia reverzného predpätia, zisk atď. Výkonové parametre fotodiódy zahŕňajú citlivosť, kvantovú účinnosť, čas prechodu alebo čas odozvy.

Tieto diódy sa široko používajú v aplikáciách, kde sa vyžaduje detekcia prítomnosti svetla, farby, polohy a intenzity. Medzi hlavné vlastnosti týchto diód patria nasledujúce.

• Linearita diódy je dobrá vzhľadom na dopadajúce svetlo
• Hluk je nízky.
• Odozva je široká spektrálna
• Robustné mechanicky
• Ľahký a kompaktný
• Dlhý život

Potrebné materiály na výrobu fotodiódy a rozsah rozsahu vlnových dĺžok elektromagnetického spektra zahŕňajú nasledujúce

• Pre kremíkový materiál bude rozsah vlnových dĺžok elektromagnetického spektra (190 - 1100) nm
• Pre materiál germánia bude rozsah vlnových dĺžok elektromagnetického spektra (400 - 1 700) nm
• Pre materiál arzenidu india gália bude rozsah vlnových dĺžok elektromagnetického spektra (800 - 2600) nm
• Pre sulfid olovnatý (II) bude rozsah vlnových dĺžok elektromagnetického spektra<1000-3500) nm
• V prípade ortuti a teluridu kadmia bude rozsah vlnových dĺžok elektromagnetického spektra (400 - 14000) nm

Vďaka lepšej priepustnosti vytvárajú fotodiódy na báze Si nižší šum ako fotodiódy na báze Ge.

Konštrukcia

Konštrukciu fotodiódy je možné vykonať pomocou dvoch polovodičov, ako sú typy P a N. V tomto prevedení je možné vytvoriť materiál typu P difúziou substrátu typu P, ktorý je ľahko dotovaný. Takže vrstva P + iónov môže byť vytvorená z dôvodu difúznej metódy. Na substráte typu N môže byť vypestovaná epitaxná vrstva typu N.

Konštrukcia fotodiódy

Vývoj difúznej vrstvy P + sa môže uskutočniť cez silne dopovanú epitaxnú vrstvu typu N. Kontakty sú vyrobené z kovov a vytvárajú dva vývody, ako sú anóda a katóda. Prednú oblasť diódy je možné rozdeliť na dva typy, ako sú aktívne a neaktívne povrchy.

Neaktívny povrch je možné navrhnúť pomocou oxidu kremičitého (SiO2). Na aktívnom povrchu môžu na ňu dopadať svetelné lúče, zatiaľ čo na neaktívnom povrchu nemôžu dopadať svetelné lúče. & aktívny povrch je možné zakryť materiálom antireflexie, aby sa energia svetla nemohla stratiť a najvyššia z nich sa mohla zmeniť na prúd.

Fungovanie fotodiódy

Princíp činnosti fotodiódy je, keď fotón s dostatočnou energiou zasiahne diódu, a vytvorí tak pár elektrónových dier. Tento mechanizmus sa nazýva aj vnútorný fotoelektrický jav. Ak absorpcia nastane v spoji oblasti vyčerpania, potom sú nosiče odstránené zo spojenia zabudovaným elektrickým poľom oblasti vyčerpania.

Princíp fungovania fotodiódy

Preto sa otvory v oblasti pohybujú smerom k anóde a elektróny smerom k katóde a generuje sa fotoprúd. Celý prúd prechádzajúci diódou je súčtom neprítomnosti svetla a fotoprúdu. Takže neprítomný prúd musí byť znížený, aby sa maximalizovala citlivosť zariadenia.

Prevádzkové režimy

Prevádzkové režimy fotodiódy zahŕňajú tri režimy, a to fotovoltaický režim, fotovodivý režim, režim lavínovej diódy

Fotovoltaický režim: Tento režim je tiež známy ako režim s nulovým predpätím, v ktorom je zosvetlenou fotodiódou vytvárané napätie. Poskytuje veľmi malý dynamický rozsah a nelineárnu potrebu vytvoreného napätia.

Fotovodivý režim: Fotodióda použitá v tomto fotovodivom režime je obvykle spätne predpätá. Aplikácia reverzného napätia zvýši šírku deplečnej vrstvy, čo následne zníži čas odozvy a kapacitu spojky. Tento režim je príliš rýchly a zobrazuje elektronický šum

Režim lavínovej diódy: Lavínové diódy pracujú v stave s vysokým reverzným predpätím, čo umožňuje množenie lavínového rozkladu na každý foto produkovaný pár elektrón-diera. Tento výsledok je vnútorný zisk vo fotodióde, ktorý pomaly zvyšuje odozvu zariadenia.

Prečo je fotodióda prevádzkovaná v opačnom smere?

Fotodióda pracuje v režime fotovodivosti. Keď je dióda pripojená v opačnom predpätí, potom sa môže zväčšiť šírka vrstvy vyčerpania. To teda zníži kapacitu križovatky a čas odozvy. Toto skreslenie v skutočnosti spôsobí rýchlejšiu dobu odozvy diódy. Takže vzťah medzi fotoprúdom a intenzitou osvetlenia je lineárne proporcionálny.

Čo je lepšia fotodióda alebo fototranzistor?

Fotodióda aj fototranzistor sa používajú na premenu energie svetla na elektrickú. Fototranzistor je však pohotovejší na rozdiel od fotodiódy v dôsledku využitia tranzistora.

Tranzistor mení základný prúd, ktorý spôsobuje v dôsledku absorpcie svetla, a preto je možné získať obrovský výstupný prúd v celom kolektorovom termináli tranzistora. Časová odozva fotodiód je v porovnaní s fototranzistorom veľmi rýchla. Je teda použiteľný tam, kde dochádza k fluktuáciám v obvode. Pre lepšie pochopenie tu uvádzame niektoré body fotodiódy vs fotorezistora.

Fotodiódový obvod

Schéma zapojenia fotodiódy je uvedená nižšie. Tento obvod môže byť zostavený z 10k rezistora a fotodiódy. Akonáhle fotodióda spozoruje svetlo, potom dovoľuje určitý tok prúdu cez ňu. Súčet prúdu dodávaného cez túto diódu môže byť priamo úmerný súčtu svetla zaznamenaného cez diódu.

Schéma zapojenia

Pripojenie fotodiódy v externom obvode

V akejkoľvek aplikácii pracuje fotodióda v režime obráteného skreslenia. Anódová svorka obvodu môže byť pripojená k zemi, zatiaľ čo katódová svorka je pripojená k zdroju energie. Akonáhle je osvetlený svetlom, potom prúd preteká z katódovej svorky do anódovej svorky.

Akonáhle sa fotodiódy použijú s vonkajšími obvodmi, potom sa spoja so zdrojom energie v obvode. Takže množstvo prúdu generovaného fotodiódou bude extrémne malé, takže táto hodnota nie je dostatočná na výrobu elektronického zariadenia.

Akonáhle sú pripojené k externému zdroju energie, dodáva viac prúdu smerom do obvodu. V tomto obvode sa batéria používa ako zdroj energie na zvýšenie hodnoty prúdu, aby externé zariadenia poskytovali lepší výkon.

Účinnosť fotodiódy

Kvantovú účinnosť fotodiódy je možné definovať ako rozdelenie absorbovaných fotónov, ktoré sa darujú fotocentru. Pre tieto diódy je otvorene spojený s responzívnosťou „S“ bez lavínového účinku, potom môže byť fotoprúd vyjadrený ako

I = S P = ηe / hv. P

Kde,

„Η“ je kvantová účinnosť

„E“ je náboj elektrónu

„Hν“ je energia fotónu

Kvantová účinnosť fotodiód je mimoriadne vysoká. V niektorých prípadoch to bude viac ako 95%, zmeny sa však výrazne uskutočňujú prostredníctvom vlnovej dĺžky. Vysoká kvantová účinnosť vyžaduje kontrolu odrazov okrem vysokej vnútornej účinnosti, ako je antireflexná vrstva.

Zodpovednosť

Odozva fotodiódy je pomer generovaného fotoprúdu a absorbovaná optická sila sa dá určiť v lineárnom reze odozvy. Vo fotodiódach je to normálne maximum v oblasti vlnových dĺžok, kde je energia fotónu dosť vyššia ako energia pásma a klesá v oblasti pásma, kdekoľvek klesá absorpcia.

Výpočet fotodiódy je možné vykonať na základe nasledujúcej rovnice

R = η (e / hv)

Tu vo vyššie uvedenej rovnici „h ν“ je energia fotónu „η“ je účinnosť kvantového & „e“ náboja elementárneho. Napríklad kvantová účinnosť fotodiódy je 90% pri vlnovej dĺžke 800 nm, potom bude citlivosť 0,58 A / W.

Pre fotonásobiče a lavínové fotodiódy existuje ďalší faktor pre znásobenie vnútorného prúdu, takže možné hodnoty budú nad 1 A / W. Všeobecne platí, že násobenie prúdu nie je zahrnuté v kvantovej účinnosti.

PIN fotodióda Vs PN fotodióda

Obidve fotodiódy, ako napríklad PN & PIN, možno získať od mnohých dodávateľov. Výber fotodiódy je veľmi dôležitý pri návrhu obvodu na základe požadovaného výkonu a charakteristík.
Fotodióda PN nefunguje s opačným skreslením, a preto je vhodnejšie použitie slabého osvetlenia zvýšiť výkonnosť šumu.

Fotodióda PIN, ktorá pracuje v opačnom predpätí, môže zaviesť šumový prúd na zníženie pomeru S / N
Pre aplikácie s vysokým dynamickým rozsahom poskytne reverzné predpätie dobrý výkon
Pre aplikácie s vysokou BW poskytne reverzné predpätie dobrý výkon, ako je kapacita v regiónoch P & N a skladovacia kapacita je malá.

Výhody

The výhody fotodiódy zahrňte nasledujúce.

• Menší odpor
• Rýchla a vysoká prevádzková rýchlosť
• Dlhá životnosť
• Najrýchlejší fotodetektor
• Spektrálna odozva je dobrá
• Nepoužíva vysoké napätie
• Frekvenčná odozva je dobrá
• Pevné a nízke
• Je mimoriadne citlivý na svetlo
• Temný prúd sú kaly
• Vysoká kvantová účinnosť
• Menej hluku

Nevýhody

The nevýhody fotodiódy zahrňte nasledujúce.

• Stabilita teploty je zlá
• Zmena prúdu je extrémne malá, preto nemusí stačiť na pohon obvodu
• Aktívna oblasť je malá
• Obvyklá fotodióda s prechodom PN obsahuje vysoký čas odozvy
• Má menšiu citlivosť
• Funguje to hlavne v závislosti od teploty
• Používa ofsetové napätie

Aplikácie fotodiódy

• Aplikácie fotodiód zahŕňajú podobné aplikácie fotodetektorov, ako sú zariadenia s nábojom, fotovodiče a elektrónky s násobičom.
• Tieto diódy sa používajú v zariadeniach spotrebnej elektroniky ako detektory dymu , prehrávače kompaktných diskov a televízory a diaľkové ovládače vo videorekordéroch.
• V iných spotrebných zariadeniach, ako sú rádiobudíky, merače osvetlenia fotoaparátu a pouličné osvetlenie, sa fotovodiče používajú skôr ako fotodiódy.
• Fotodiódy sa často používajú na presné meranie intenzity svetla vo vede a priemysle. Spravidla majú vylepšenú lineárnejšiu odozvu ako fotovodiče.
• Fotodiódy sú tiež široko používané v mnoho lekárskych aplikácií ako prístroje na analýzu vzoriek, detektory pre počítačovú tomografiu a tiež používané v monitoroch krvných plynov.
• Tieto diódy sú oveľa rýchlejšie a zložitejšie ako bežné spojovacie diódy PN, a preto sa často používajú na reguláciu osvetlenia a v optických komunikáciách.

V-I charakteristiky fotodiódy

Fotodióda nepretržite pracuje v režime spätného predpätia. Charakteristiky fotodiódy sú zreteľne znázornené na nasledujúcom obrázku, pričom fotoprúd je takmer nezávislý od použitého reverzného predpätia. Pre nulovú svietivosť je fotoprúd takmer nulový okrem malého tmavého prúdu. Je to rádovo nano ampér. Keď stúpa optický výkon, stúpa aj fotoprúd lineárne. Maximálny fotoprúd je neúplný stratou výkonu fotodiódy.

Charakteristiky

Toto je teda všetko o princíp fungovania fotodiódy , vlastnosti a aplikácie. Optoelektronické zariadenia, ako sú fotodiódy, sú dostupné v rôznych typoch, ktoré sa používajú takmer vo všetkých elektronických zariadeniach. Tieto diódy sa používajú so zdrojmi infračerveného svetla, ako sú neónové, laserové LED a žiarivky. V porovnaní s inými diódami na detekciu svetla nie sú tieto diódy drahé. Dúfame, že ste tomuto konceptu lepšie porozumeli. Ďalej akékoľvek otázky týkajúce sa tohto konceptu alebo implementácie elektrické a elektronické projekty pre študentov inžinierstva . Svoje cenné návrhy môžete poskytnúť komentárom v sekcii komentárov nižšie. Tu je otázka pre vás, aká je funkcia fotodiódy ?

Fotografické úvery:

• Fotodióda hamamatsu
• Fungovanie fotodiódy fyzika-a-radio-elektronika
• V-I charakteristiky fotodiódy ecetutoriály