Kas yra fotodiodas: darbo principas ir jo charakteristikos

Fotodiodas yra a PN jungties diodas kad sunaudoja šviesos energiją elektros srovei gaminti. Kartais jis taip pat vadinamas foto detektoriumi, šviesos detektoriumi ir foto jutikliu. Šie diodai yra specialiai suprojektuoti veikti atvirkštinio poslinkio sąlygomis, tai reiškia, kad fotodiodo P pusė yra susijusi su neigiamu akumuliatoriaus gnybtu, o n pusė yra prijungta prie teigiamo akumuliatoriaus gnybto. Šis diodas yra labai sudėtingas šviesai, todėl, kai šviesa patenka į diodą, jis lengvai pakeičia šviesą į elektros srovę. Saulės elementas taip pat yra pažymėtas kaip didelio ploto fotodiodas, nes jis saulės energiją paverčia elektros energija . Nors saulės elementai veikia tik ryškioje šviesoje.

Kas yra fotodiodas?

Fotodiodas yra vienos rūšies šviesos detektorius, naudojamas šviesai paversti srove ar įtampa, atsižvelgiant į prietaiso veikimo režimą. Jį sudaro optiniai filtrai, įmontuoti objektyvai ir paviršiaus plotai. Šių diodų reakcijos laikas yra lėtas, kai fotodiodo paviršiaus plotas padidėja. Fotodiodai yra panašūs į įprastus puslaidininkinius diodus, tačiau jie gali būti matomi, kad šviesa pasiektų subtilią prietaiso dalį. Keli diodai skirti naudokite tiksliai kaip fotodiodą, taip pat naudosite PIN jungtį, palyginti su įprasta PN jungtimi.

Kai kurie fotodiodai atrodys šviesos diodas . Jie turi du terminalus, ateinančius iš galo. Mažesnis diodo galas yra katodo gnybtas, o ilgesnis diodo galas yra anodo gnybtas. Anodo ir katodo šonus žiūrėkite šioje schemoje. Esant priekinio poslinkio sąlygai, įprasta srovė tekės iš anodo į katodą, laikydamasi rodyklės diodo simbolyje. Fotosrovė teka atvirkštine kryptimi.

Fotodiodo tipai

Nors rinkoje yra daugybė fotodiodų tipų ir visi jie veikia pagal tuos pačius pagrindinius principus, nors kai kuriuos patobulina kiti efektai. Skirtingų tipų fotodiodų veikimas veikia šiek tiek kitaip, tačiau pagrindinė šių diodų operacija išlieka ta pati. Fotodiodų tipus pagal jų konstrukciją ir funkcijas galima klasifikuoti taip.

• PN fotodiodas
• Schottky fotodiodas
• PIN fotodiodas
• Lavinos fotodiodas

PN fotodiodas

Pirmasis sukurtas fotodiodo tipas yra PN tipas. Palyginti su kitais tipais, jo našumas nėra aukštas, tačiau šiuo metu jis naudojamas keliose programose. Fotodetektas dažniausiai vyksta diodo išeikvojimo srityje. Šis diodas yra gana mažas, tačiau jo jautrumas nėra didelis, palyginti su kitais. Norėdami sužinoti daugiau apie PN diodą, žr. Šią nuorodą.

PIN fotodiodas

Šiuo metu dažniausiai naudojamas fotodiodas yra PIN tipo. Šis diodas, palyginti su standartiniu PN fotodiodu, surenka šviesos fotonus galingiau, nes platus vidinis plotas tarp P ir N regionų leidžia surinkti daugiau šviesos, be to, jis taip pat siūlo mažesnę talpą. Norėdami sužinoti daugiau apie PIN diodą, žr. Šią nuorodą.

Lavinos fotodiodas

Šis diodas naudojamas esant silpnam apšvietimui dėl didelio stiprumo. Tai sukelia didelį triukšmą. Taigi ši technologija netinka visoms programoms. Norėdami sužinoti daugiau apie „Avalanche“ diodą, žiūrėkite šią nuorodą.

Schottky fotodiodas

„Schottky“ fotodiodas naudoja „Schottky“ diodą, ir jame yra maža diodų jungtis, o tai reiškia, kad jungties talpa yra maža, taigi ji veikia dideliu greičiu. Taigi, tokio tipo fotodiodas dažnai naudojamas didelio pralaidumo optinėse ryšių sistemose, tokiose kaip šviesolaidinės jungtys. Norėdami sužinoti daugiau apie „Schottky“ diodą, žr. Šią nuorodą.

Kiekvienas fotodiodo tipas turi savų privalumų ir trūkumų. Šį diodą galima pasirinkti pagal programą. Skirtingi parametrai, į kuriuos reikia atsižvelgti renkantis fotodiodą, daugiausia apima triukšmą, bangos ilgį, atvirkštinio šališkumo apribojimus, stiprinimą ir kt. Fotodiodo veikimo parametrai apima reagavimą, kvantinį efektyvumą, tranzito laiką arba atsako laiką.

Šie diodai yra plačiai naudojami programose, kuriose reikia nustatyti šviesos buvimą, spalvą, padėtį, intensyvumą. Pagrindiniai šių diodų bruožai yra šie.

• Diodo tiesiškumas yra geras krintančios šviesos atžvilgiu
• Triukšmo mažai.
• Atsakas yra plataus spektro
• Tvirtas mechaniškai
• Lengvas ir kompaktiškas
• Ilgas gyvenimas

Fotodiodui pagaminti reikalingos medžiagos ir elektromagnetinio spektro bangos ilgio diapazonas apima:

• Silicio medžiagai elektromagnetinio spektro bangos ilgių diapazonas bus (190-1100) nm
• Germanio medžiagai elektromagnetinio spektro bangos ilgio diapazonas bus (400–1700) nm
• Indio galio arsenido medžiagai elektromagnetinio spektro bangos ilgio diapazonas bus (800–2600) nm
• Švino (II) sulfido medžiagoms elektromagnetinio spektro bangos ilgio diapazonas bus<1000-3500) nm
• Gyvsidabrio, kadmio telurido medžiagos, elektromagnetinio spektro bangos ilgio diapazonas bus (400–14000) nm

Dėl geresnio dažnių juostos tarpelio Si fotodiodai sukelia mažesnį triukšmą nei Ge fotodiodai.

Statyba

Fotodiodo konstrukcija gali būti atliekama naudojant du puslaidininkius, pavyzdžiui, P tipo ir N tipo. Pagal šį dizainą P tipo medžiagą galima formuoti difuzuojant P tipo substratą, kuris yra lengvai legiruotas. Taigi, dėl difuzijos metodo gali susidaryti P + jonų sluoksnis. N tipo substrate galima auginti N tipo epitaksinį sluoksnį.

Fotodiodų konstrukcija

P + difuzinį sluoksnį galima sukurti ant stipriai legiruoto N tipo epitaksinio sluoksnio. Kontaktai suprojektuoti su metalais, kad būtų pagaminti du gnybtai, pavyzdžiui, anodas ir katodas. Priekinę diodo sritį galima suskirstyti į du tipus, tokius kaip aktyvūs ir neaktyvūs paviršiai.

Neaktyvų paviršių galima suprojektuoti naudojant silicio dioksidą (SiO2). Aktyviame paviršiuje šviesos spinduliai gali smogti virš jo, o neaktyviame - šviesos. & aktyvusis paviršius gali būti padengtas per antirefleksijos medžiagą, kad šviesos energija negalėtų prarasti, o aukščiausią iš jos būtų galima pakeisti srove.

Fotodiodo veikimas

Fotodiodo veikimo principas yra tas, kad kai į diodą patenka daug energijos fotonas, jis sukuria porą elektronų skylės. Šis mechanizmas dar vadinamas vidiniu fotoelektriniu efektu. Jei absorbcija atsiranda išeikvojimo srities sankryžoje, tada nešiklius iš sankryžos pašalina įmontuotas išeikvojimo srities elektrinis laukas.

Fotodiodo darbo principas

Todėl skylės regione juda link anodo, o elektronai - link katodo, ir susidarys fotosrovė. Visa srovė per diodą yra šviesos nebuvimo ir fotosrovės suma. Taigi, norint maksimaliai padidinti prietaiso jautrumą, trūksta srovės.

Veikimo režimai

Fotodiodo veikimo režimai apima tris režimus: fotoelektros režimą, fotolaidųjį režimą, lavinos diodo režimą

Fotoelektros režimas: Šis režimas taip pat žinomas kaip nulinio šališkumo režimas, kai įtampą sukuria apšviestas fotodiodas. Tai suteikia labai mažą dinaminį diapazoną ir nelinijinę susidariusios įtampos būtinybę.

Fotolaidumo režimas: Šiame fotolaidiniame režime naudojamas fotodiodas dažniausiai būna atvirkštinis. Atvirkštinės įtampos taikymas padidins išeikvojimo sluoksnio plotį, o tai savo ruožtu sumažina reakcijos laiką ir jungties talpą. Šis režimas yra per greitas ir rodo elektroninį triukšmą

Lavinos diodo režimas: Griūties diodai veikia labai atvirkščiai, o tai leidžia dauginti lavinos suskaidymą kiekvienai nuotraukoje pagamintai elektronų-skylių porai. Šis rezultatas yra vidinis fotodiodo padidėjimas, kuris lėtai didina prietaiso atsaką.

Kodėl fotodiodas veikia atvirkščiai?

Fotodiodas veikia fotolaidumo režimu. Kai diodas yra prijungtas atvirkščiai, tada išeikvojimo sluoksnio plotis gali būti padidintas. Taigi tai sumažins sankryžos talpą ir reakcijos laiką. Tiesą sakant, šis šališkumas sukels greitesnį diodo atsako laiką. Taigi santykis tarp fotosrovės ir apšvietimo yra tiesiškai proporcingas.

Kuris yra geresnis fotodiodas ar fototransistorius?

Tiek fotodiodas, tiek fototransistorius naudojami šviesos energijai paversti elektrine. Tačiau fototransistorius yra jautresnis, palyginti su fotodiodu dėl tranzistoriaus naudojimo.

Tranzistorius keičia bazinę srovę, kurią sukelia šviesos absorbcija, todėl didžiulę išėjimo srovę galima gauti visame tranzistoriaus kolektoriaus gnybte. Fotodiodų atsakas į laiką yra labai greitas, palyginti su fototransistoriumi. Taigi tai taikoma ten, kur vyksta grandinės svyravimai. Norėdami geriau suprasti, čia mes išvardijome keletą fotodiodo ir fotorezistoriaus taškų.

Fotodiodų grandinė

Fotodiodo schema parodyta žemiau. Ši grandinė gali būti pastatyta naudojant 10k rezistorių ir fotodiodą. Kai fotodiodas pastebi šviesą, jis per ją leidžia tam tikrą srovės srautą. Per šį diodą tiekiamos srovės suma gali būti tiesiogiai proporcinga šviesos, pastebėtos per diodą, sumai.

Grandinės schema

Fotodiodo prijungimas prie išorinės grandinės

Bet kurioje programoje fotodiodas veikia atvirkštinio poslinkio režimu. Grandinės anodo gnybtą galima prijungti prie žemės, o katodo gnybtą - prie maitinimo šaltinio. Kai apšviečiama per šviesą, srovė teka iš katodo gnybto į anodo gnybtą.

Kai fotodiodai naudojami su išorinėmis grandinėmis, jie yra sujungiami su grandinės energijos šaltiniu. Taigi, naudojant fotodiodą generuojamos srovės kiekis bus itin mažas, todėl šios vertės nepakanka elektroniniam įrenginiui pagaminti.

Kai jie bus prijungti prie išorinio maitinimo šaltinio, jis tieks daugiau srovės į grandinę. Šioje grandinėje baterija naudojama kaip energijos šaltinis, padedantis padidinti srovės vertę, kad išoriniai prietaisai veiktų geriau.

Fotodiodų efektyvumas

Fotodiodo kvantinį efektyvumą galima apibrėžti kaip absorbuotų fotonų, kurie aukoja fotosrovei, padalijimą. Šiems diodams jis yra atvirai susijęs su reakcija „S“ be lavinos poveikio, tada fotosrovė gali būti išreikšta kaip

I = S P = ηe / hv. P

Kur,

‘Η’ yra kvantinis efektyvumas

„E“ yra elektrono krūvis

‘Hν’ yra fotono energija

Fotodiodų kvantinis efektyvumas yra itin didelis. Kai kuriais atvejais jis viršys 95%, tačiau bangos ilgis labai kinta. Dideliam kvantiniam efektyvumui reikalingas atspindžių valdymas, išskyrus didelį vidinį efektyvumą, pavyzdžiui, antirefleksišką dangą.

Reagavimas

Fotodiodo atsakas yra susidariusios fotosrovės santykis, taip pat tiesinę atsako dalį galima nustatyti sugertą optinę galią. Fotodioduose jis paprastai yra didžiausias bangos ilgio srityje, kur fotonų energija yra gana didesnė nei juostos tarpo energija ir mažėja juostos tarpo srityje, kur absorbcija mažėja.

Fotodiodą galima apskaičiuoti remiantis šia lygtimi

R = η (e / hv)

Čia, aukščiau pateiktoje lygtyje, „h ν“ yra fotono energija „η“ yra kvanto efektyvumas ir „e“ elementaro krūvis. Pavyzdžiui, fotodiodo kvantinis efektyvumas, esant 800 nm bangos ilgiui, yra 90%, tada atsakas bus 0,58 A / W.

Fotodaugintuvams ir lavinų fotodiodams yra papildomas vidinės srovės dauginimo koeficientas, kad galimos vertės būtų didesnės nei 1 A / W. Paprastai srovės dauginimas nėra įtrauktas į kvantinį efektyvumą.

PIN fotodiodas Vs PN fotodiodas

Abu fotodiodus, pvz., PN ir PIN, galite gauti iš daugelio tiekėjų. Fotodiodo pasirinkimas yra labai svarbus projektuojant grandinę pagal reikiamą našumą ir charakteristikas.
PN fotodiodas neveikia atvirkščiai ir todėl labiau tinka naudoti silpną šviesą, kad padidėtų triukšmo našumas.

PIN fotodiodas, veikiantis atvirkščiai, gali sukelti triukšmo srovę, kad sumažėtų S / N santykis
Taikant aukštą dinaminį diapazoną, atvirkštinis poslinkis suteiks gerą našumą
Taikant didelius BW, atvirkštinis poslinkis užtikrins gerą našumą, pvz., P & N regionų talpa, o įkrovimo pajėgumų saugojimas yra mažas.

Privalumai

The fotodiodo privalumai įtraukti šiuos dalykus.

• Mažiau pasipriešinimo
• Greitas ir didelis veikimo greitis
• Ilgas gyvenimo laikotarpis
• Greičiausias fotodetektorius
• Spektrinis atsakas yra geras
• Nenaudoja aukštos įtampos
• Dažnio atsakas yra geras
• Kietas ir mažo svorio
• Tai labai reaguoja į šviesą
• Tamsi srovė yra nuosėdos
• Didelis kvantinis efektyvumas
• Mažiau triukšmo

Trūkumai

The fotodiodo trūkumai įtraukti šiuos dalykus.

• Temperatūros stabilumas yra prastas
• Keitimasis srovės ribose yra labai mažas, todėl gali nepakakti grandinei valdyti
• Aktyvus plotas yra nedidelis
• Įprastas PN jungties fotodiodas turi didelį atsako laiką
• Jis turi mažiau jautrumo
• Tai daugiausia veikia priklausomai nuo temperatūros
• Jis naudoja kompensuotą įtampą

Fotodiodo programos

• Fotodiodų taikymas apima panašius fotodetektorių, pavyzdžiui, įkrovos sujungtų prietaisų, fotolaidininkų ir fotoradiatorių vamzdžių, pritaikymus.
• Šie diodai naudojami plataus vartojimo elektronikos prietaisuose dūmų detektoriai , kompaktinių diskų grotuvai, televizoriai ir nuotolinio valdymo pultai vaizdo grotuvuose.
• Kituose vartotojams skirtuose įrenginiuose, pavyzdžiui, radijo laikrodžiuose, fotoaparatų šviesos matuokliuose ir gatvių žibintuose, dažniau naudojami fotolaidininkai, o ne fotodiodai.
• Fotodiodai dažnai naudojami tiksliam šviesos intensyvumo matavimui mokslo ir pramonės srityse. Paprastai jie turi sustiprintą, linijinį atsaką nei fotolaidininkai.
• Fotodiodai taip pat plačiai naudojami daugybė medicinos programų kaip mėginių analizės prietaisai, kompiuterinės tomografijos detektoriai ir naudojami kraujo dujų monitoriuose.
• Šie diodai yra daug greitesni ir sudėtingesni nei įprasti PN jungties diodai, todėl dažnai naudojami apšvietimo reguliavimui ir optiniams ryšiams.

V-I fotodiodo charakteristikos

Fotodiodas nuolat veikia atvirkštinio poslinkio režimu. Fotodiodo charakteristikos aiškiai parodytos kitame paveikslėlyje, kad fotosrovė beveik nepriklauso nuo naudojamos atvirkštinės įtampos įtampos. Nulinio ryškumo atveju foto srovė yra beveik lygi nuliui, išskyrus mažą tamsią srovę. Jis yra nano amperų klasės. Didėjant optinei galiai, fotosrovė taip pat kyla tiesiškai. Maksimali fotosrovė yra neišsami dėl fotodiodo galios išsisklaidymo.

Charakteristikos

Taigi, viskas yra apie fotodiodo veikimo principas , charakteristikos ir programos. Optoelektronikos prietaisai, tokie kaip fotodiodai, yra įvairių tipų, kurie naudojami beveik visuose elektroniniuose prietaisuose. Šie diodai naudojami su IR šviesos šaltiniais, tokiais kaip neoniniai, lazeriniai LED ir fluorescenciniai. Palyginti su kitais šviesos aptikimo diodais, šie diodai nėra brangūs. Tikimės, kad jūs geriau supratote šią koncepciją. Be to, bet kokie klausimai, susiję su šia koncepcija ar įgyvendinimu elektriniai ir elektroniniai projektai inžinerijos studentams . Pateikite savo vertingų pasiūlymų pakomentuodami žemiau esančiame komentarų skyriuje. Štai jums klausimas, kokia yra fotodiodo funkcija ?

Nuotraukų kreditai:

• Fotodiodas hamamatsu
• Fotodiodo veikimas fizikos ir radijo elektronikos
• V-I fotodiodo charakteristikos eketutorialai