Mi a fotodióda: Működési elv és jellemzői

A fotodióda a PN-csatlakozási dióda amely fényenergiát fogyaszt az elektromos áram előállításához. Néha fotódetektornak, fényérzékelőnek és fotóérzékelőnek is nevezik. Ezeket a diódákat kifejezetten fordított előfeszítési körülmények között működtetik, ez azt jelenti, hogy a fotodióda P oldala az akkumulátor negatív kapcsaival van összekapcsolva, az n oldala pedig az akkumulátor pozitív kivezetésével. Ez a dióda nagyon összetett a fénytől, így amikor a fény ráesik a diódára, a fényt könnyen elektromos árammá változtatja. A napelemet nagy területű fotodiódának is bélyegzik, mert az a napenergiát elektromos energiává alakítja . Bár a napelem csak erős fényben működik.

Mi a Photodiode?

A fotodióda a fényérzékelők egyik típusa, amelyet a fény áramgá vagy feszültséggé alakítására használnak a készülék működési módja alapján. Ez magában foglalja az optikai szűrőket, a beépített lencséket és a felületeket is. Ezeknek a diódáknak lassú a válaszidejük, amikor a fotodióda felülete megnő. A fotodiódák hasonlítanak a szokásos félvezető diódákra, de ezek vagy láthatók, hogy a fény elérje a készülék kényes részét. Több dióda szánt pontosan úgy használja, mint egy fotodióda, a PIN-csatlakozást is némileg használja, mint a szokásos PN-csatlakozást.

Néhány fotodióda kinézni fog fénykibocsátó dióda . Két végállomásuk van a végétől. A dióda kisebb vége a katódterminál, míg a dióda hosszabbik vége az anódterminál. Az anód és a katód oldalát lásd a következő sematikus ábrán. Előretekintés esetén a hagyományos áram az anódtól a katódig áramlik, a dióda szimbólumban található nyíl nyomán. A fényáram fordított irányban áramlik.

A fotodióda típusai

Bár a fotodióda számos típusa elérhető a piacon, és mindegyik ugyanazon az alapelven működik, bár némelyiket más hatások javítják. A különféle típusú fotodiódák működése kissé eltérő módon működik, de ezeknek a diódáknak az alapvető működése ugyanaz marad. A fotodiódák típusai felépítésük és funkcióik alapján az alábbiak szerint osztályozhatók.

• PN Photodiode
• Schottky fotódióda
• PIN fotodióda
• Lavina fotodióda

PN Photodiode

Az első kifejlesztett fotodióda a PN típusú. Más típusokhoz képest teljesítménye nem fejlett, de jelenleg számos alkalmazásban használják. A fotodetektálás elsősorban a dióda kimerülési régiójában történik. Ez a dióda meglehetősen kicsi, de érzékenysége nem nagy, mint másokkal. Kérjük, olvassa el ezt a linket, ha többet szeretne megtudni a PN diódáról.

PIN fotodióda

Jelenleg a leggyakrabban használt fotodióda PIN típusú. Ez a dióda erősebben gyűjti össze a fényfotonokat a standard PN fotodiódához képest, mivel a P és N régió közötti széles belső terület lehetővé teszi a több fény összegyűjtését, és emellett alacsonyabb kapacitást is kínál. Kérjük, olvassa el ezt a linket, ha többet szeretne megtudni a PIN-diódáról.

Lavina fotodióda

Ezt a diódát gyenge megvilágítású területeken használják a magas erősítés miatt. Magas zajszintet generál. Tehát ez a technológia nem minden alkalmazáshoz megfelelő. Kérjük, olvassa el ezt a linket, ha többet szeretne megtudni az Avalanche diódáról.

Schottky fotodióda

A Schottky fotodióda a Schottky diódát használja, és tartalmaz egy kis diódacsomópontot, ami azt jelenti, hogy kicsi a csomópont kapacitása, tehát nagy sebességgel működik. Így ezt a fajta fotodiódát gyakran használják nagy sávszélességű (BW) optikai kommunikációs rendszerekben, például száloptikai kapcsolatokban. Kérjük, olvassa el ezt a linket, ha többet szeretne megtudni a Schottky diódáról.

A fotodiodák mindegyik típusának megvannak a maga előnyei és hátrányai. A dióda kiválasztása az alkalmazás alapján történhet. A fotodióda kiválasztása során figyelembe veendő különböző paraméterek főleg a zajt, a hullámhosszat, a fordított előfeszítési korlátokat, az erősítést stb. Tartalmazzák.

Ezeket a diódákat széles körben használják olyan alkalmazásokban, ahol a fény, a szín, a helyzet és az intenzitás jelenlétének detektálása szükséges. Ezen diódák fő jellemzői a következők.

• A dióda linearitása jó a beeső fényhez képest
• A zaj alacsony.
• A válasz széles spektrumú
• Mechanikusan szilárd
• Könnyű és kompakt
• Hosszú élet

A fotodióda elkészítéséhez szükséges anyagok és az elektromágneses spektrum hullámhossztartományának tartománya a következőket tartalmazza

• A szilícium anyag esetében az elektromágneses spektrum hullámhossztartománya (190-1100) nm lesz
• A germánium anyag esetében az elektromágneses spektrum hullámhossztartománya (400-1700) nm lesz
• Indium-gallium-arzén anyag esetén az elektromágneses spektrum hullámhossztartománya (800–2600) nm lesz.
• Ólom (II) -szulfid anyag esetén az elektromágneses spektrum hullámhossztartománya a következő lesz<1000-3500) nm
• A higany, kadmium-tellurid anyag esetében az elektromágneses spektrum hullámhossztartománya (400-14000) nm lesz.

Jobb sávszélességük miatt a Si-alapú fotodiódák alacsonyabb zajszintet produkálnak, mint a Ge-alapú fotodiódák.

Építkezés

A fotodióda felépítése két félvezető segítségével végezhető el, például P-típusú és N-típusú. Ennél a kivitelnél a P-típusú anyag kialakítása a P-típusú szubsztrát diffúziójából történhet, amely enyhén adalékolt. Tehát a P + ionréteg kialakulhat a diffúziós módszer miatt. Az N-típusú szubsztrátumon az N-típusú epitaxiális réteg termeszthető.

Fotodióda építés

A P + diffúziós réteg kifejlesztése elvégezhető az erősen adalékolt N-típusú epitaxiális réteg felett. Az érintkezőket fémekkel tervezték, hogy két kivezetést hozzanak létre, például anódot és katódot. A dióda elülső része két típusra bontható, például aktív és nem aktív felületekre.

A nem aktív felület kialakítása szilícium-dioxiddal (SiO2) történhet. Aktív felületen a fénysugarak átüthetnek rajta, míg egy nem aktív felületen a fénysugarak nem üthetnek meg. és az aktív felületet visszaverődés anyagán keresztül be lehet takarni, így a fény energiája nem veszhet el, és a legmagasabb az árammá változtatható.

A fotodióda működése

A fotodióda működési elve az, hogy amikor a bő energiájú foton megüt a diódán, akkor egy pár elektronlyuk keletkezik. Ezt a mechanizmust belső fotoelektromos hatásnak is nevezik. Ha az abszorpció a kimerülési régió csomópontjában keletkezik, akkor a vivőket a csomópontból a kimerülési régió beépített elektromos mezője távolítja el.

A fotodióda működési elve

Ezért a régióban lévő lyukak az anód felé, az elektronok pedig a katód felé mozognak, és fotovezeték keletkezik. A diódán keresztüli teljes áram a fény hiányának és a fényáramnak az összege. Tehát a hiányzó áramot csökkenteni kell a készülék érzékenységének maximalizálása érdekében.

Működési módok

A fotodióda üzemmódjai három módot foglalnak magukba: fotovoltaikus mód, fényvezető mód, lavina dióda mód

Fotovoltaikus üzemmód: Ezt az üzemmódot null-bias módnak is nevezik, amelyben a megvilágított fotodióda feszültséget állít elő. Nagyon kis dinamikus tartományt és nem lineáris szükségességet ad a kialakult feszültségnek.

Fényvezető mód: Az ebben a fényvezető módban használt fotodióda általában fordított torzítású. A fordított feszültség alkalmazása növeli a kimerülő réteg szélességét, ami viszont csökkenti a válaszidőt és a csomópont kapacitását. Ez az üzemmód túl gyors, és elektronikus zajt jelenít meg

Lavina dióda mód: A lavina diódák nagy fordított előfeszítési állapotban működnek, ami lehetővé teszi a lavina felbomlásának megsokszorozását az egyes fotó által előállított elektron-lyuk párokhoz. Ez az eredmény a fotodióda belső nyeresége, amely lassan növeli az eszköz válaszát.

Miért működik a fotodióda fordított előfeszítéssel?

A fotodióda fényvezető módban működik. Ha a dióda fordított előfeszítéssel van csatlakoztatva, akkor a kimerítő réteg szélessége növelhető. Tehát ez csökkenti a csomópont kapacitását és a válaszidőt. Valójában ez az előfeszítés gyorsabb reakcióidőt eredményez a dióda számára. Tehát a fényáram és a megvilágítás kapcsolata lineárisan arányos.

Melyik a jobb fotodióda vagy fototranzisztor?

A fénydiódát és a fototranzisztort egyaránt használják a fény energiájának elektromosra történő átalakítására. A fototranzisztor azonban érzékenyebb, szemben a fotodiódával a tranzisztor hasznosítása miatt.

A tranzisztor megváltoztatja az alapáramot, amelyet a fényelnyelés okoz, ezért a hatalmas kimeneti áram a tranzisztor kollektorterminálján nyerhető el. A fotodiódák időválasza nagyon gyors a fototranzisztorhoz képest. Tehát akkor alkalmazható, ahol az áramkör ingadozása történik. A jobb lebecsülés érdekében itt felsoroltuk a fotodióda és a fotorezisztor néhány pontját.

Fotodióda áramkör

A fotodióda kapcsolási rajza az alábbiakban látható. Ez az áramkör 10k ellenállással és fotodiódával építhető fel. Amint a fotodióda észreveszi a fényt, akkor bizonyos áramáramot enged át benne. Az ezen a diódán keresztül táplált áram összege közvetlenül arányos lehet a diódán keresztül észlelt fény összegével.

Kördiagramm

Fotodióda csatlakoztatása külső áramkörbe

Bármely alkalmazásban a fotodióda fordított előfeszítési módban működik. Az áramkör anódsorkapcsa a földhöz, míg a katódsorkapocs az áramforráshoz csatlakoztatható. Ha a fény megvilágítja, akkor az áram a katódterminálról az anódterminálra áramlik.

Miután a fotodiódákat a külső áramkörökhöz használják, akkor az áramkörben lévő áramforráshoz kapcsolódnak. Tehát a fotodióda által generált áram mennyisége rendkívül kicsi lesz, ezért ez az érték nem elegendő egy elektronikus eszköz előállításához.

Miután csatlakoztak egy külső áramforráshoz, az nagyobb áramot juttat az áramkör felé. Ebben az áramkörben az akkumulátort áramforrásként használják, hogy növeljék az áram értékét, hogy a külső eszközök jobb teljesítményt nyújtsanak.

Fotodióda hatékonyság

A fotodióda kvantumhatékonysága úgy határozható meg, mint az abszorbeált fotonok felosztása, amelyek a fényáramnak adományoznak. Ezeknél a diódáknál nyíltan kapcsolódik az „S” válaszkészséghez, lavina hatása nélkül, akkor a fényáram kifejezhető

I = S P = ηe / hv. P

Hol,

’Η’ a kvantumhatékonyság

Az „e” az elektron töltése

A „hν” a foton energiája

A fotodiódák kvantumhatékonysága rendkívül magas. Bizonyos esetekben meghaladja a 95% -ot, azonban a hullámhosszon át nagymértékben változik. A nagy kvantumhatékonyság megköveteli a reflexiók vezérlését, kivéve a nagy belső hatékonyságot, mint például a visszaverődésgátló bevonatot.

Érzékenység

A fotodióda reakciókészsége a keletkező fényáram aránya, valamint az elnyelt optikai teljesítmény a válasz lineáris szakaszán belül meghatározható. A fotodiódákban ez általában egy hullámhosszúságú területen van, ahol a fotonenergia meglehetősen nagyobb, mint a sávszél energia és csökken a sávrésen belül, bárhol is csökken az abszorpció.

A fotodióda számítása a következő egyenlet alapján végezhető el

R = η (e / hv)

Itt a fenti egyenletben a „h ν” a foton energiája. „Η” a kvantum hatékonysága és az „e” az elemi töltés. Például egy fotodióda kvantumhatékonysága 90% 800 nm hullámhosszon, akkor a válaszkészség 0,58 A / W lesz.

A fényszorzók és lavina fotodiódák esetében van egy extra tényező a belső áram szorzására, így a lehetséges értékek 1 A / W fölött lesznek. Általában az áram szorzása nem szerepel a kvantumhatékonyságban.

PIN fotodióda Vs PN fotodióda

Mindkét fotodiódát, például a PN & PIN kódot, sok szállítótól lehet elérni. A fotodióda kiválasztása nagyon fontos, miközben egy áramkört terveznek a kívánt teljesítmény, valamint a jellemzők alapján.
A PN fotodióda nem működik fordított előfeszítéssel, következésképpen a gyenge fényviszonyok alkalmazásához megfelelőbb a zaj teljesítményének javítása.

A fordított előfeszítéssel működő PIN fotodióda zajáramot vezethet be az S / N arány csökkentése érdekében
Nagy dinamikatartományú alkalmazásoknál a fordított előfeszítés jó teljesítményt nyújt
Nagy BW alkalmazások esetén a fordított előfeszítés jó teljesítményt nyújt, például a kapacitás a P & N régiói között, és a töltési kapacitás tárolása kicsi.

Előnyök

A a fotodióda előnyei a következőket tartalmazzák.

• Kevesebb ellenállás
• Gyors és nagy működési sebesség
• Hosszú élettartam
• A leggyorsabb fotodetektor
• A spektrális válasz jó
• Nem használ nagyfeszültséget
• A frekvencia válasz jó
• Szilárd és kis súlyú
• Rendkívül érzékeny a fényre
• A sötét áramlás a seprű
• Nagy kvantumhatékonyság
• Kevesebb zaj

Hátrányok

A a fotodióda hátrányai a következőket tartalmazzák.

• A hőmérsékleti stabilitás gyenge
• Az áramon belüli változás rendkívül csekély, ezért lehet, hogy nem lesz elegendő az áramkör meghajtásához
• Az aktív terület kicsi
• A szokásos PN csatlakozású fotodióda magas válaszidőt tartalmaz
• Kevesebb az érzékenysége
• Főleg a hőmérséklet függvényében működik
• Offszet feszültséget használ

A fotodióda alkalmazásai

• A fotodiódák alkalmazása hasonló fotodetektorok alkalmazásával jár, mint a töltéshez kapcsolt eszközök, a fényvezetők és a fényszorzó csövek.
• Ezeket a diódákat olyan szórakoztató elektronikai eszközökben használják, mint a füstérzékelők , kompaktlemez lejátszók, televíziók és távirányítók a videomagnókban.
• Más fogyasztói eszközökben, például órarádióban, fényképezőgép-fénymérőkben és utcai lámpákban a fotovezetőket gyakrabban használják, mint a fotodiódákat.
• A fotodiódákat gyakran használják a fény intenzitásának pontos mérésére a tudományban és az iparban. Általában fokozottabb, lineárisabb válaszokkal rendelkeznek, mint a fotovezetők.
• A fotodiódákat széles körben használják a számos orvosi alkalmazás mint a minták elemzésére szolgáló eszközök, a számítógépes tomográfia detektorai, és a vérgáz-monitorokban is használják.
• Ezek a diódák sokkal gyorsabbak és összetettebbek, mint a normál PN elágazó diódák, ezért gyakran használják a világítás szabályozásához és az optikai kommunikációhoz.

A fotodióda V-I jellemzői

A fotodióda folyamatosan fordított előfeszítési módban működik. A fotodióda jellemzőit a következő ábra világosan mutatja, hogy a fényáram szinte független az alkalmazott fordított előfeszültségtől. Nulla fényerő esetén a fényáram majdnem nulla, kivéve a kis sötét áramot. A nano amper nagyságrendű. Az optikai teljesítmény emelkedésével a fényáram lineárisan is emelkedik. A fotodióda maximális áramárama nem teljes a fotodióda teljesítményvesztesége miatt.

Jellemzők

Így mindez a fotodióda működési elve , jellemzők és alkalmazások. Az olyan optoelektronikai eszközök, mint a fotodiódák, különböző típusokban kaphatók, amelyeket szinte minden elektronikus eszközben használnak. Ezeket a diódákat olyan IR fényforrásokhoz használják, mint a neon, a lézeres LED és a fluoreszcens. Más fényérzékelő diódákkal összehasonlítva ezek a diódák nem drágák. Reméljük, hogy jobban megértette ezt a koncepciót. Ezenkívül a koncepcióval vagy a megvalósítással kapcsolatos bármilyen kérdés elektromos és elektronikus projektek mérnökhallgatók számára . Kérjük, adja meg értékes javaslatait az alábbi megjegyzések részben kommentálva. Itt van egy kérdés az Ön számára, mi a fotodióda funkciója ?

Fotók:

• Fotodióda hamamatsu
• A fotodióda működése fizika és rádió-elektronika
• A fotodióda V-I jellemzői ecetutorials