Ce este o fotodiodă: principiul de lucru și caracteristicile sale

Ce este o fotodiodă: principiul de lucru și caracteristicile sale

O fotodiodă este o PN-dioda de joncțiune care consumă energie luminoasă pentru a produce un curent electric. Uneori se mai numește și foto-detector, detector de lumină și foto-senzor. Aceste diode sunt proiectate în special pentru a funcționa în condiții de polarizare inversă, înseamnă că partea P a fotodiodei este asociată cu borna negativă a bateriei, iar partea n este conectată la borna pozitivă a bateriei. Această diodă este foarte complexă de lumină, astfel încât atunci când lumina cade pe diodă, aceasta schimbă ușor lumina într-un curent electric. Celula solară este, de asemenea, marcată ca o fotodiodă de suprafață mare, deoarece ea transformă energia solară în energie electrică . Deși, celula solară funcționează numai în lumină puternică.



Ce este Photodiode?

O fotodiodă este un tip de detector de lumină, utilizat pentru a converti lumina în curent sau tensiune pe baza modului de funcționare al dispozitivului. Acesta cuprinde filtre optice, lentile încorporate și, de asemenea, suprafețe. Aceste diode au un timp de răspuns lent atunci când suprafața fotodiodei crește. Fotodiodele sunt similare cu diodele semiconductoare obișnuite, dar pot fi vizibile fie pentru a permite luminii să ajungă în partea delicată a dispozitivului. Mai multe diode destinate utilizați exact ca o fotodiodă va utiliza, de asemenea, o joncțiune PIN oarecum decât joncțiunea PN obișnuită.


Unele fotodiode vor arăta ca. o diodă emitentă de lumină . Au două terminale care vin de la final. Capătul mai mic al diodei este terminalul catodic, în timp ce capătul mai lung al diodei este terminalul anodic. Vedeți următoarea diagramă schematică pentru laturile anodului și catodului. În condiția de polarizare directă, curentul convențional va curge de la anod la catod, urmând săgeata din simbolul diodei. Fotocurentul curge în sens invers.





Tipuri de fotodiodă

Deși există numeroase tipuri de fotodiodă disponibile pe piață și toate funcționează pe aceleași principii de bază, deși unele sunt îmbunătățite prin alte efecte. Funcționarea diferitelor tipuri de fotodiode funcționează într-un mod ușor diferit, dar funcționarea de bază a acestor diode rămâne aceeași. Tipurile de fotodiode pot fi clasificate pe baza construcției și funcțiilor lor după cum urmează.

  • Fotodioda PN
  • Schottky Photo Diode
  • Fotodiodă PIN
  • Fotodiodă de avalanșă

Fotodioda PN

Primul tip de fotodiodă dezvoltat este tipul PN. În comparație cu alte tipuri, performanța sa nu este avansată, dar în prezent este utilizată în mai multe aplicații. Fotodetecția are loc în principal în regiunea de epuizare a diodei. Această diodă este destul de mică, dar sensibilitatea sa nu este mare în comparație cu altele. Vă rugăm să consultați acest link pentru a afla mai multe despre dioda PN.



Fotodiodă PIN

În prezent, cea mai frecvent utilizată fotodiodă este un tip PIN. Această diodă adună fotonii luminoși mai puternic în comparație cu fotodioda PN standard, deoarece zona intrinsecă largă dintre regiunile P și N permite colectarea mai multor lumini și, în plus față de aceasta, oferă și o capacitate mai mică. Vă rugăm să consultați acest link pentru a afla mai multe despre dioda PIN.


Fotodiodă de avalanșă

Acest tip de diodă este utilizat în zone cu lumină scăzută datorită nivelurilor sale ridicate de câștig. Generează niveluri ridicate de zgomot. Deci, această tehnologie nu este adecvată pentru toate aplicațiile. Vă rugăm să consultați acest link pentru a afla mai multe despre dioda Avalanche.

Fotodioda Schottky

Fotodioda Schottky folosește dioda Schottky și include o joncțiune cu diode mici, ceea ce înseamnă că există o capacitate mică de joncțiune, deci funcționează la viteze mari. Astfel, acest tip de fotodiodă este frecvent utilizat în sistemele de comunicații optice cu lățime de bandă mare (BW), cum ar fi legăturile cu fibră optică. Vă rugăm să consultați acest link pentru a afla mai multe despre dioda Schottky.

Fiecare tip de fotodiodă are propriile sale avantaje și dezavantaje. Selectarea acestei diode se poate face pe baza aplicației. Diferitii parametri care trebuie luați în considerare la selectarea fotodiodei includ în principal zgomotul, lungimea de undă, constrângerile de polarizare inversă, câștigul etc. Parametrii de performanță ai fotodiodei includ receptivitatea, eficiența cuantică, timpul de tranzit sau timpul de răspuns.

Aceste diode sunt utilizate pe scară largă în aplicații în care este necesară detectarea prezenței luminii, culorii, poziției, intensității. Principalele caracteristici ale acestor diode includ următoarele.

  • Liniaritatea diodei este bună în ceea ce privește lumina incidentă
  • Zgomotul este redus.
  • Răspunsul este larg spectral
  • Robust mecanic
  • Ușor și compact
  • Viata lunga

Materialele necesare pentru realizarea unei fotodiode și gama de lungimi de undă a spectrului electromagnetic includ următoarele

  • Pentru materialul din siliciu, domeniul lungimii de undă a spectrului electromagnetic va fi (190-1100) nm
  • Pentru materialul de germaniu, lungimea de undă a spectrului electromagnetic va fi (400-1700) nm
  • Pentru materialul arsenid de galiu de indiu, intervalul de lungimi de undă al spectrului electromagnetic va fi (800-2600) nm
  • Pentru materialul sulfurat de plumb (II), lungimea de undă a spectrului electromagnetic va fi<1000-3500) nm
  • Pentru mercur, material de telurură de cadmiu, lungimea de undă a spectrului electromagnetic va fi (400-14000) nm

Datorită spațiului de bandă mai bun, fotodiodele pe bază de Si produc zgomot mai mic decât fotodiodele pe bază de Ge.

Constructie

Construcția fotodiodei se poate face folosind doi semiconductori precum tipul P și tipul N. În acest design, formarea materialului de tip P se poate face din difuzia substratului de tip P care este ușor dopat. Deci, stratul de ioni P + poate fi format datorită metodei de difuzie. Pe substratul de tip N se poate cultiva stratul epitaxial de tip N.

Construcție fotodiodă

Construcție fotodiodă

Dezvoltarea unui strat de difuzie P + se poate face peste stratul epitaxial de tip N puternic dopat. Contactele sunt proiectate cu metale pentru a face doi terminali precum anod și catod. Regiunea frontală a diodei poate fi separată în două tipuri, cum ar fi suprafețele active și inactive.

Proiectarea suprafeței inactive se poate face cu dioxid de siliciu (SiO2). Pe o suprafață activă, razele de lumină pot lovi peste aceasta, în timp ce, pe o suprafață inactivă, razele de lumină nu pot lovi. & suprafața activă poate fi acoperită prin materialul antireflex, astfel încât energia luminii să nu poată pierde și cea mai mare din ea să poată fi transformată în curent.

Lucrarea fotodiodei

Principiul de lucru al unei fotodiode este că, atunci când un foton de energie amplă lovește dioda, acesta face câteva găuri de electroni. Acest mecanism se mai numește și efect fotoelectric interior. Dacă absorbția apare în joncțiunea regiunii de epuizare, atunci purtătorii sunt îndepărtați de joncțiune de câmpul electric încorporat din regiunea de epuizare.

Principiul de lucru al fotodiodei

Principiul de lucru al fotodiodei

Prin urmare, găurile din regiune se deplasează spre anod, iar electronii se îndreaptă spre catod și se va genera un fotocurent. Întregul curent prin diodă este suma absenței luminii și a fotocurentului. Deci curentul absent trebuie redus pentru a maximiza sensibilitatea dispozitivului.

Moduri de funcționare

Modurile de operare ale fotodiodei includ trei moduri, și anume modul fotovoltaic, modul fotoconductor, un mod diodă avalanșă

Mod fotovoltaic: Acest mod este, de asemenea, cunoscut sub numele de zero-bias mode, în care o tensiune este produsă de fotodiodă luminată. Oferă o gamă dinamică foarte mică și necesitatea neliniară a tensiunii formate.

Mod fotoconductor: Fotodioda utilizată în acest mod fotoconductiv este, de obicei, polarizată invers. Aplicația de tensiune inversă va crește lățimea stratului de epuizare, care la rândul său scade timpul de răspuns și capacitatea de joncțiune. Acest mod este prea rapid și afișează zgomot electronic

Mod diodă avalanșă: Diodele de avalanșă funcționează într-o stare de polarizare inversă ridicată, care permite multiplicarea unei defecțiuni a avalanșei la fiecare pereche de electroni-gauri foto-produsă. Acest rezultat este un câștig intern în fotodiodă, care crește încet răspunsul dispozitivului.

De ce este operată fotodioda în polarizare inversă?

Fotodioda funcționează în modul fotoconductiv. Când dioda este conectată în polarizare inversă, atunci lățimea stratului de epuizare poate fi mărită. Deci, acest lucru va reduce capacitatea joncțiunii și timpul de răspuns. De fapt, această polarizare va provoca timpi de răspuns mai rapide pentru diodă. Deci, relația dintre fotocurent și iluminare este liniar proporțională.

Care este mai bună fotodiodă sau fototranzistor?

Atât fotodioda, cât și fototranzistorul sunt utilizate pentru conversia energiei luminii în electrică. Cu toate acestea, fototranzistorul este mai receptiv în comparație cu fotodioda datorită utilizării tranzistorului.

Tranzistorul schimbă curentul de bază care cauzează absorbția luminii și, prin urmare, curentul de ieșire uriaș poate fi câștigat pe terminalul colector al tranzistorului. Răspunsul în timp al fotodiodelor este foarte rapid în comparație cu fototranzistorul. Deci, este aplicabil acolo unde apare fluctuația circuitului. Pentru o mai bună subestimare, aici am enumerat câteva puncte ale fotodiodei vs fotorezistorului.

Fotodiodă

Fototranzistor

Dispozitivul semiconductor care convertește energia din lumină în curent electric este cunoscut sub numele de fotodiodă.Fototranzistorul este folosit pentru a schimba energia luminii într-un curent electric folosind tranzistorul.
Acesta generează atât curentul, cât și tensiuneaGenerează curent
Timpul de răspuns este vitezaTimpul de răspuns este lent
Este mai puțin receptiv în comparație cu un fototranzistorEste receptiv și generează un curent o / p imens.
Această diodă funcționează atât în ​​condițiile de polarizareAceastă diodă funcționează numai în polarizarea directă.
Se utilizează la un contor de lumină, la o centrală solară etc.Este folosit pentru a detecta lumina

Circuit fotodiodă

Schema circuitului fotodiodei este prezentată mai jos. Acest circuit poate fi construit cu un rezistor de 10k și fotodiodă. Odată ce fotodioda observă lumina, atunci permite un anumit flux de curent în ea. Suma curentului care se alimentează prin această diodă poate fi direct proporțională cu suma luminii observate prin diodă.

Diagrama circuitului

Diagrama circuitului

Conectarea unei fotodiode într-un circuit extern

În orice aplicație, fotodioda funcționează în modul de polarizare inversă. Terminalul anodic al circuitului poate fi conectat la masă, în timp ce terminalul catodic este conectat la sursa de alimentare. Odată iluminat prin lumină, curentul curge de la terminalul catodic la terminalul anodic.

Odată ce fotodiodele sunt utilizate cu circuitele exterioare, atunci acestea sunt aliate unei surse de energie din circuit. Deci, cantitatea de curent generată printr-o fotodiodă va fi extrem de mică, deci această valoare nu este suficientă pentru a crea un dispozitiv electronic.

Odată ce acestea sunt conectate la o sursă de alimentare exterioară, atunci acesta furnizează mai mult curent către circuit. În acest circuit, bateria este utilizată ca sursă de alimentare pentru a ajuta la creșterea valorii curentului, astfel încât dispozitivele externe să ofere o performanță mai bună.

Eficiența fotodiodei

Eficiența cuantică a fotodiodei poate fi definită ca împărțirea fotonilor absorbiți care donează fotocurentului. Pentru aceste diode, este asociat deschis cu sensibilitatea „S” fără efect de avalanșă, apoi fotocurentul poate fi exprimat ca

I = S P = ηe / hv. P

Unde,

„Η” este eficiența cuantică

‘E’ este sarcina electronului

‘Hν’ este energia fotonului

Eficiența cuantică a fotodiodelor este extrem de ridicată. În unele cazuri, va fi peste 95%, cu toate acestea se modifică extensiv prin lungimea de undă. Eficiența cuantică ridicată necesită controlul reflexiilor, în afară de o eficiență interioară ridicată, precum un strat antireflex.

Responsabilitate

Răspunsul unei fotodiode este raportul dintre fotocurentul generat, precum și puterea optică absorbită poate fi determinată în secțiunea liniară a răspunsului. În fotodiode, este în mod normal maxim într-o zonă de lungime de undă oriunde energia fotonică este destul de mare decât energia bandgap și scade în regiunea bandgap oriunde absorbția se reduce.

Calculul fotodiodei se poate face pe baza următoarei ecuații

R = η (e / hv)

Aici, în ecuația de mai sus, „h ν” este energia fotonului „η” este eficiența cuantică și „e” sarcina elementară. De exemplu, eficiența cuantică a unei fotodiode este de 90% la o lungime de undă de 800 nm, atunci receptivitatea va fi de 0,58 A / W.

Pentru fotomultiplicatori și fotodioduri de avalanșă, există un factor suplimentar pentru înmulțirea curentului interior, astfel încât valorile posibile vor fi peste 1 A / W. În general, multiplicarea curentului nu este inclusă în eficiența cuantică.

Fotodiodă PIN V Fotodiodă PN

Atât fotodiodele, cum ar fi PN și PIN, pot fi obținute de la mulți furnizori. O selecție a fotodiodelor este foarte importantă în timpul proiectării unui circuit bazat pe performanța necesară, precum și pe caracteristici.
O fotodiodă PN nu funcționează într-o polarizare inversă și, prin urmare, este mai potrivită pentru aplicațiile cu lumină slabă pentru a spori performanța zgomotului.

Fotodioda PIN care funcționează în polarizare inversă poate introduce un curent de zgomot pentru a scădea raportul S / N
Pentru aplicațiile cu un interval dinamic ridicat, polarizarea inversă va oferi performanțe bune
Pentru aplicații cu intensitate mare, polarizarea inversă va oferi performanțe bune, cum ar fi capacitatea dintre regiunile P & N, iar stocarea capacității de încărcare este mică.

Avantaje

avantajele fotodiodei include următoarele.

  • Rezistență mai mică
  • Viteză de operare rapidă și mare
  • Durată lungă de viață
  • Cel mai rapid fotodetector
  • Răspunsul spectral este bun
  • Nu folosește tensiune înaltă
  • Răspunsul în frecvență este bun
  • Solid și cu greutate redusă
  • Este extrem de receptiv la lumină
  • Curentul întunecat este drojdia
  • Eficiență cuantică ridicată
  • Zgomot mai mic

Dezavantaje

dezavantaje ale fotodiodei include următoarele.

  • Stabilitatea temperaturii este slabă
  • Schimbarea în curent este extrem de mică, de aceea este posibil să nu fie suficientă pentru a conduce circuitul
  • Zona activă este mică
  • Fotodioda de joncțiune PN obișnuită include un timp de răspuns ridicat
  • Are mai puțină sensibilitate
  • Funcționează în principal în funcție de temperatură
  • Folosește tensiunea offset

Aplicații ale fotodiodei

  • Aplicațiile fotodiodelor implică aplicații similare ale fotodetectorilor, cum ar fi dispozitivele cuplate la sarcină, fotoconductori și tuburi fotomultiplicatoare.
  • Aceste diode sunt utilizate în dispozitive electronice de larg consum, cum ar fi Detectoare de fum , playere de discuri compacte și televizoare și telecomenzi în VCR-uri.
  • În alte dispozitive de consum, cum ar fi aparatele de radio cu ceas, aparatele de măsurat lumina camerei și luminile stradale, fotoconductorii sunt mai des folosiți decât fotodiodele.
  • Fotodiodele sunt frecvent utilizate pentru măsurarea exactă a intensității luminii în știință și industrie. În general, au un răspuns îmbunătățit, mai liniar decât fotoconductorii.
  • Fotodiodele sunt, de asemenea, utilizate pe scară largă în numeroase aplicații medicale precum instrumente pentru analiza eșantioanelor, detectoare pentru tomografie computerizată și utilizate și în monitoarele de gaze din sânge.
  • Aceste diode sunt mult mai rapide și mai complexe decât diodele de joncțiune PN normale și, prin urmare, sunt frecvent utilizate pentru reglarea iluminatului și în comunicațiile optice.

V-I Caracteristicile fotodiodei

O fotodiodă funcționează continuu într-un mod de polarizare inversă. Caracteristicile fotodiodei sunt prezentate clar în figura următoare, că fotocurentul este aproape independent de tensiunea de polarizare inversă aplicată. Pentru luminanța zero, fotocurentul este aproape zero, cu excepția curentului întunecat mic. Este de ordinul nano amperilor. Pe măsură ce puterea optică crește, fotocurentul crește de asemenea liniar. Fotocurentul maxim este incomplet prin disiparea puterii fotodiodei.

Caracteristici

Caracteristici

Astfel, aici este vorba despre principiul de funcționare a fotodiodei , caracteristici și aplicații. Dispozitivele optoelectronice precum Photodiodes sunt disponibile în diferite tipuri, care sunt utilizate în aproape toate dispozitivele electronice. Aceste diode sunt utilizate cu surse de lumină IR, cum ar fi neon, laser LED și fluorescente. În comparație cu alte diode de detectare a luminii, aceste diode nu sunt scumpe. Sperăm că ați înțeles mai bine acest concept. În plus, orice întrebări referitoare la acest concept sau de implementat proiecte electrice și electronice pentru studenții ingineri . Vă rugăm să oferiți sugestiile dvs. valoroase comentând în secțiunea de comentarii de mai jos. Iată o întrebare pentru tine, care este funcția unei fotodiode ?

Credite foto: