Шта је фотодиода: принцип рада и његове карактеристике

Фотодиода је а ПН-спој диода која троши светлосну енергију за производњу електричне струје. Понекад се назива и фото-детектор, детектор светлости и фото-сензор. Ове диоде су посебно дизајниране за рад у обрнутим пристрасностима, што значи да је П-страна фотодиоде повезана са негативним прикључком батерије, а н-страна повезана са позитивним прикључком батерије. Ова диода је веома сложена за осветљење, па кад светло падне на диоду, лако мења светлост у електричну струју. Соларна ћелија је такође означена као фотодиода велике површине јер је претвара сунчеву енергију у електричну . Иако соларна ћелија ради само при јаком светлу.

Шта је фотодиода?

Фотодиода је једна врста детектора светлости, која се користи за претварање светлости у струју или напон на основу начина рада уређаја. Садржи оптичке филтере, уграђене сочива, као и површине. Ове диоде имају споро време одзива када се површина фотодиоде повећава. Фотодиоде су сличне уобичајеним полупроводничким диодама, али могу бити видљиве како би светлост дошла до осетљивог дела уређаја. Неколико диода намењених за употреба тачно као фотодиода користиће и ПИН спој нешто више од уобичајеног ПН споја.

Неке фотодиоде ће изгледати диода која емитује светлост . Имају два терминала која долазе с краја. Мањи крај диоде је катодни терминал, док је дужи крај диоде анодни терминал. Погледајте следећи шематски дијаграм за странице аноде и катоде. Под условом пристрасности унапред, конвенционална струја ће тећи од аноде до катоде, пратећи стрелицу у симболу диоде. Фотоструја тече у обрнутом смеру.

Врсте фотодиоде

Иако су на тржишту доступне бројне врсте фотодиода и све оне раде на истим основним принципима, мада су неке побољшане другим ефектима. Рад различитих врста фотодиода делује на мало другачији начин, али основни рад ових диода остаје исти. Врсте фотодиода могу се класификовати на основу њихове конструкције и функција на следећи начин.

• ПН фотодиода
• Сцхоттки Пхото Диоде
• ПИН фотодиода
• Фотодиода од лавине

ПН фотодиода

Прва развијена врста фотодиоде је ПН врста. У поређењу са другим типовима, његове перформансе нису напредне, али тренутно се користе у неколико апликација. Фотодетекција се углавном дешава у исцрпљеном делу диоде. Ова диода је прилично мала, али њена осетљивост није велика у поређењу са другима. Погледајте ову везу да бисте сазнали више о ПН диоди.

ПИН фотодиода

Тренутно је најчешће коришћена фотодиода ПИН тип. Ова диода снажније прикупља светлосне фотоне у поређењу са стандардном ПН фотодиодом, јер широко унутрашње подручје између П и Н региона омогућава прикупљање више светлости, а поред тога нуди и нижи капацитет. Погледајте ову везу да бисте сазнали више о ПИН диоди.

Фотодиода од лавине

Ова врста диоде се користи у областима са слабом осветљеношћу због високог нивоа појачања. Ствара висок ниво буке. Дакле, ова технологија није прикладна за све примене. Погледајте ову везу да бисте сазнали више о лавинској диоди.

Сцхоттки Фхотодиоде

Сцхоттки-јева фотодиода користи Сцхоттки-јеву диоду и укључује мали диодни спој, што значи да постоји мали капацитет споја, па ради при великим брзинама. Стога се ова врста фотодиоде често користи у оптичким комуникационим системима велике пропусне моћи (БВ) као што су оптичке везе. Погледајте ову везу да бисте сазнали више о Сцхоттки диоди.

Свака врста фотодиоде има своје предности и недостатке. Избор ове диоде може се извршити на основу примене. Различити параметри које треба узети у обзир при одабиру фотодиоде углавном укључују буку, таласну дужину, ограничења обрнуте пристрасности, појачање итд. Параметри перформанси фотодиоде укључују одзив, квантну ефикасност, време проласка или време одзива.

Ове диоде се широко користе у апликацијама где је потребно откривање присуства светлости, боје, положаја, интензитета. Главне карактеристике ових диода укључују следеће.

• Линеарност диоде је добра у односу на упадну светлост
• Бука је мала.
• Одазив је широк спектрални
• Нераван механички
• Лаган и компактан
• Дуг живот

Потребни материјали за израду фотодиоде и опсег таласних дужина електромагнетног спектра укључују следеће

• За силицијумски материјал опсег таласних дужина електромагнетног спектра биће (190-1100) нм
• За германијум материјал, опсег таласних дужина електромагнетног спектра биће (400-1700) нм
• За материјал индијум галијум арсенида опсег таласних дужина електромагнетног спектра биће (800-2600) нм
• За оловни (ИИ) сулфидни материјал распон таласних дужина електромагнетног спектра биће<1000-3500) nm
• За живу, кадмијум телуридни материјал, таласна дужина електромагнетног спектра биће (400-14000) нм

Због свог бољег опсега, фотодиоде на бази Си производе мање буке од фотодиода на бази Ге.

Конструкција

Конструкција фотодиоде се може извести помоћу два полупроводника попут П-типа и Н-типа. У овом дизајну, формирање материјала типа П може се извршити из дифузије супстрата типа П који се лагано допира. Дакле, слој јона П + може настати због дифузионе методе. На подлози Н-типа може се узгајати епитаксијални слој Н-типа.

Изградња фотодиоде

Развој дифузионог слоја П + може се извршити преко јако допираног епитаксијалног слоја Н-типа. Контакти су дизајнирани са металима да би направили два терминала попут аноде и катоде. Предњи део диоде може се раздвојити у две врсте попут активне и неактивне површине.

Дизајн неактивне површине може се извести силицијум диоксидом (СиО2). На активној површини светлосни зраци могу ударати преко ње, док на неактивној површини светлосни зраци не могу ударати. & активна површина може бити покривена материјалом антирефлексије тако да енергија светлости не може да изгуби и највиша од ње може да се промени у струју.

Деловање фотодиоде

Принцип рада фотодиоде је, када фотон обилне енергије удари у диоду, направи пар електронских рупа. Овај механизам се назива и унутрашњим фотоелектричним ефектом. Ако апсорпција настане у споју региона исцрпљења, тада се носачи уклањају са споја уграђеним електричним пољем региона исцрпљивања.

Принцип рада фотодиоде

Због тога се рупе у региону крећу према аноди, а електрони према катоди и генерисаће се фотоструја. Целокупна струја кроз диоду је збир одсуства светлости и фотострује. Дакле, одсутна струја мора да се смањи како би се повећала осетљивост уређаја.

Начини рада

Режими рада фотодиоде укључују три режима, и то фотонапонски режим, фотопроводљиви режим, режим лавинске диоде

Фотонапонски режим: Овај режим је такође познат и као режим нулте пристрасности, у коме осветљени фотодиод производи напон. Даје врло мали динамички опсег и нелинеарну потребу за насталим напоном.

Фотопроводљиви режим: Фотодиода коришћена у овом фотопроводљивом режиму је чешће обрнуто пристрасна. Примена обрнутог напона повећаће ширину слоја исцрпљивања, што заузврат смањује време одзива и капацитет споја. Овај режим је пребрз и приказује електронски шум

Режим лавине диоде: Диоде лавина раде у високом обрнутом стању пристрасности, што омогућава умножавање распада лавине на сваки пар електронских рупа произведених фотографијом. Овај исход је унутрашњи добитак у фотодиоди, који полако повећава одзив уређаја.

Зашто се фотодиода примењује у обрнутом смеру?

Фотодиода делује у режиму фотопроводљивости. Када је диода повезана обрнуто, онда се ширина слоја осиромашења може повећати. Дакле, ово ће умањити капацитет споја и време одзива. У ствари, ово одступање ће узроковати брже време одзива диоде. Дакле, однос између фотострује и осветљености је линеарно пропорционалан.

Шта је боље фотодиода или фототранзистор?

И фотодиода и фототранзистор се користе за претварање енергије светлости у електричну. Међутим, фототрансистор реагује, за разлику од фотодиоде, због употребе транзистора.

Транзистор мења основну струју која настаје услед апсорпције светлости и стога се огромна излазна струја може добити кроз цевни колекторски терминал транзистора. Временски одзив фотодиода је врло брз у поређењу са фототранзистором. Дакле, применљиво је тамо где долази до флуктуације у колу. Ради бољег потцењивања, овде смо навели неке тачке фотодиоде у односу на фоторезистор.

Фотодиодни круг

Дијаграм кола фотодиоде приказан је доле. Ово коло се може изградити помоћу отпорника од 10 к и фотодиоде. Једном када фотодиода примети светлост, онда омогућава одређени проток струје кроз њу. Збир струје која се напаја кроз ову диоду може бити директно пропорционалан суми светлости која се примећује кроз диоду.

Кружни дијаграм

Повезивање фотодиоде у спољни круг

У било којој апликацији, фотодиода ради у режиму обрнутог пристрасности. Анодни прикључак кола може се повезати са масом, док је катодни прикључак повезан са извором напајања. Једном осветљена кроз светлост, тада струја тече од катодног терминала до анодног терминала.

Једном када се фотодиоде користе са спољним круговима, оне се повезују са извором напајања у кругу. Дакле, количина струје генерисане кроз фотодиоду биће изузетно мала, тако да ова вредност није довољна за прављење електронског уређаја.

Једном када су повезани на спољни извор напајања, он испоручује више струје према кругу. У овом колу се батерија користи као извор напајања како би се повећала вредност струје тако да спољни уређаји дају боље перформансе.

Ефикасност фотодиоде

Квантна ефикасност фотодиоде може се дефинисати као подела апсорбованих фотона који се донирају у фотострују. За ове диоде је отворено повезан са одзивом „С“ без дејства лавине, тада се фотоструја може изразити као

И = С П = ηе / хв. П.

Где,

„Η“ је квантна ефикасност

’Е’ је наелектрисање електрона

‘Хν’ је енергија фотона

Квантна ефикасност фотодиода је изузетно висока. У неким случајевима, то ће бити изнад 95%, међутим значајно се мења кроз таласну дужину. Висока квантна ефикасност захтева контролу рефлексија, осим високе унутрашње ефикасности попут антирефлексног слоја.

Одговорност

Одзивност фотодиоде је однос фотострује која се генерише, као и апсорбована оптичка снага која се може одредити унутар линеарног пресека одзива. У фотодиодама, он је обично максималан у таласној дужини свуда где је енергија фотона прилично већа од енергије запречног опсега и опада унутар опсега опсега где год се апсорпција смањи.

Прорачун фотодиоде може се извршити на основу следеће једначине

Р = η (е / хв)

Овде, у горњој једначини, „х ν“ је енергија фотона „η“ је ефикасност квантног и „е“ наелектрисања. На пример, квантна ефикасност фотодиоде је 90% на таласној дужини од 800 нм, тада ће одзивност бити 0,58 А / В.

За фотомултипликаторе и лавинске фотодиоде постоји додатни фактор за умножавање унутрашње струје, тако да ће могуће вредности бити изнад 1 А / В. Генерално, умножавање струје није укључено у квантну ефикасност.

ПИН фотодиода вс ПН фотодиода

Обе фотодиоде попут ПН и ПИН могу се добити од многих добављача. Избор фотодиоде је веома важан током дизајнирања кола заснованог на потребним перформансама као и карактеристикама.
ПН фотодиода не ради у обрнутом смеру и сходно томе, прикладније је за примене слабог осветљења да би се побољшале перформансе буке.

ПИН фотодиода која ради у обрнутом смеру може да уведе струју шума да смањи однос С / Н
За примене високог динамичког опсега, обрнуто одступање ће дати добре перформансе
За високе БВ апликације, обрнуто одступање ће пружити добре перформансе попут капацитета међу регионима П&Н, а капацитет напуњености је мали.

Предности

Тхе предности фотодиоде укључи следеће.

• Мање отпора
• Брза и велика брзина рада
• Дуг животни век
• Најбржи фотодетектор
• Спектрални одзив је добар
• Не користи високи напон
• Фреквенцијски одзив је добар
• Чврста и мала тежина
• Изузетно реагује на светлост
• Тамна струја је талог
• Висока квантна ефикасност
• Мање буке

Мане

Тхе недостаци фотодиоде укључи следеће.

• Стабилност температуре је лоша
• Промена унутар струје је изузетно мала, стога можда неће бити довољна за покретање кола
• Активно подручје је мало
• Уобичајена фотодиода са ПН спојем укључује велико време одзива
• Има мању осетљивост
• Углавном делује зависно од температуре
• Користи офсет напон

Примене фотодиоде

• Примене фотодиода укључују сличне примене фотодетектора попут уређаја повезаних наелектрисањем, фотопроводника и фотомултипликатора.
• Ове диоде се користе у потрошачким електроничким уређајима попут детектори дима , уређаји за репродукцију компактних дискова и телевизори и даљински управљачи у видеорекордерима.
• У другим потрошачким уређајима, попут радио са сатом, мерача осветљења камере и уличне расвете, фотопроводници се чешће користе уместо фотодиода.
• Фотодиоде се често користе за тачно мерење интензитета светлости у науци и индустрији. Генерално, имају побољшани, линеарнији одзив од фотопроводника.
• Фотодиоде се такође широко користе у бројне медицинске примене попут инструмената за анализу узорака, детектора за рачунарску томографију, а такође се користе у мониторима гасова у крви.
• Ове диоде су много брже и сложеније од нормалних ПН спојних диода и стога се често користе за регулацију осветљења и у оптичким комуникацијама.

В-И карактеристике фотодиоде

Фотодиода непрекидно ради у режиму обрнуте пристрасности. Карактеристике фотодиоде су јасно приказане на следећој слици, да је фотоструја готово независна од напора обрнутог преднапона који се примењује. За нулту осветљеност, фотоструја је готово нула, искључујући малу тамну струју. Ред је нано ампера. Како оптичка снага расте, фотоструја расте и линеарно. Максимална фотоструја је непотпуна расипањем снаге фотодиоде.

Карактеристике

Дакле, ово је све о принцип рада фотодиоде , карактеристике и примене. Оптоелектронски уређаји попут фотодиода доступни су у различитим типовима који се користе у готово свим електронским уређајима. Ове диоде се користе са ИР изворима светлости као што су неон, ласерски ЛЕД и флуоресцентни. У поређењу са другим диодама за детекцију светлости, ове диоде нису скупе. Надамо се да сте боље разумели овај концепт. Даље, било каква питања у вези са овим концептом или за примену електрични и електронски пројекти за студенте технике . Дајте своје драгоцене предлоге коментаром у одељку за коментаре испод. Ево питања за вас, која је функција фотодиоде ?

Фото кредити:

• Фотодиода хамаматсу
• Деловање фотодиоде физике и радио-електронике
• В-И карактеристике фотодиоде ецетуториали