Što je fotodioda? (1. dio)

fotodiodaje poluvodički uređaj koji pretvara svjetlost u struju, a između p (pozitivnog) i n (negativnog) sloja nalazi se intrinzični sloj. Fotodioda prima svjetlosnu energiju kao ulaz za proizvodnju električne struje. Fotodiode su također poznate kao fotodetektori, fotoelektrični senzori ili detektori svjetlosti.

Fotodioda radi pod uvjetima obrnute pristranosti, to jest, P-strana fotodiode spojena je na negativnu elektrodu baterije (ili izvora napajanja), a N-strana je spojena na pozitivnu elektrodu baterije. Tipični materijali za fotodiode su silicij, germanij, indij galij arsenid fosfid i indij galij arsenid.

Unutra, fotodioda ima svjetlosni filter, ugrađenu leću i površinu. Kada se površina fotodiode poveća, vrijeme odziva se smanjuje. Vrlo malo fotodioda izgleda kao diode koje emitiraju svjetlost (LED). Ima dva terminala, kao što je prikazano u nastavku. Manji terminal služi kao katoda, a duži terminal služi kao anoda.

Simbol fotodiode sličan je simbolu LED-a, ali strelica pokazuje unutra umjesto izvana u LED-u. Slika ispod prikazuje simbol fotodiode.

1. Princip fotodiode

Fotodiode rade tako što stvaraju par elektronskih rupa kada energetski foton pogodi diodu. Ovaj mehanizam je također poznat kao unutarnji fotoelektrični efekt. Ako dođe do apsorpcije u spoju osiromašenog područja, nositelji se uklanjaju iz spoja pomoću unutarnjeg električnog polja u osiromašenom području.

Obično, kada svjetlo osvijetli PN spoj, kovalentna veza je ionizirana. Ovo stvara rupe i elektronske parove. Fotostruja nastaje zbog stvaranja parova elektron-šupljina. Kada fotoni s energijama većim od 1,1 eV udare u diodu, formiraju se parovi elektron-šupljina. Kada foton uđe u osiromašeno područje diode, udari atom s visokom energijom. To rezultira oslobađanjem elektrona iz atomske strukture. Kada se elektroni oslobode, stvaraju se slobodni elektroni i šupljine.

Općenito, elektroni imaju negativan naboj, a šupljine pozitivan naboj. Ispražnjena energija imat će ugrađeno električno polje. Zbog ovog električnog polja, par elektron-rupa je daleko od PN spoja. Stoga se rupe pomiču prema anodi, a elektroni prema katodi stvarajući fotostruju.

Intenzitet apsorpcije fotona i energija fotona međusobno su proporcionalni. Što manje energije fotografija ima, to više upija. Cijeli ovaj proces naziva se unutarnji fotoelektrični efekt.

Unutarnja ekscitacija i ekstrinzična ekscitacija dvije su metode fotonske ekscitacije. Proces intrinzične ekscitacije događa se kada su elektroni u valentnom pojasu pobuđeni fotonima u vodljivi pojas.

2. Radni krug fotodiode

Fotodiode uglavnom rade u tri različita načina rada, a to su:

(1) Fotonaponski način rada

(2) Fotovodljivi način rada

(3) Način rada lavinske diode

(1) Fotonaponski način rada

Ovaj način se također naziva način nulte prednaprezanja. Ovaj način je poželjan kada fotodiode rade u niskofrekventnim aplikacijama i aplikacijama svjetla visoke razine energije. Kada bljeskalica pogodi fotodiodu, stvara se napon. Rezultirajući napon će imati vrlo mali dinamički raspon i imat će nelinearne karakteristike. Kada je fotodioda konfigurirana s OP-AMP u ovom načinu rada, promjena temperature će biti vrlo mala.

(2) Fotovodljivi način rada

U ovom načinu, fotodioda će raditi pod uvjetima obrnute prednapone. Katoda je pozitivna, a anoda negativna. Kako se reverzni napon povećava, širina osiromašenog sloja također se povećava. Kao rezultat toga, vrijeme odziva i spojni kapacitet će se smanjiti. Nasuprot tome, ovaj način rada je brz i stvara elektronički šum.

(3) Način rada lavinske diode

Lavinske diode rade pod uvjetima visoke reverzne prednapone, što omogućuje da se lavinski slom umnoži na svaki par elektron-šupljina proizveden fotoelektricom. Rezultat je unutarnje pojačanje fotodiode, što polako povećava odziv uređaja.

(4) Krug fotodiode

Dijagram strujnog kruga fotodiode prikazan je u nastavku. Krug se može konstruirati s otpornikom od 10k i fotodiodom. Nakon što fotodioda primijeti svjetlost, dopušta struji da prođe kroz nju. Zbroj struje dovedene kroz diodu može biti proporcionalan zbroju svjetlosti opažene kroz diodu.

3. Spojite fotodiodu na vanjski strujni krug

Fotodioda radi u krugu s reverznom prednaponom. Anoda je spojena na masu kruga, a katoda je spojena na pozitivni napon napajanja kruga. Kada se obasja svjetlom, električna struja teče od katode prema anodi.

Kada se fotodiode koriste s vanjskim strujnim krugom, spajaju se na izvor napajanja u krugu. Struja koju stvara fotodioda bit će vrlo mala. Ova vrijednost struje nije dovoljna za pokretanje elektroničkog uređaja. Stoga, kada su spojeni na vanjski izvor napajanja, to daje više struje u krug. Dakle, baterija se koristi kao izvor energije. Izvor baterije pomaže povećati vrijednost struje, pridonoseći boljoj izvedbi vanjskih uređaja.

4. Proces proizvodnje fotodiode

Materijal fotodiode

Materijal fotodiode određuje mnoge njezine karakteristike. Ključna karakteristika je val svjetlosti na koji fotodioda reagira, a druga je razina šuma, a obje uvelike ovise o materijalu upotrijebljenom u fotodiodi.

Različiti odgovori na valne duljine javljaju se zbog upotrebe različitih materijala jer samo fotoni s dovoljno energije da pobude elektrone u zabranjenom pojasu materijala proizvode značajnu energiju za generiranje struje iz fotodiode.

Iako je osjetljivost materijala na valne duljine vrlo važna, još jedan parametar koji može imati značajan utjecaj na performanse fotodiode je razina generiranog šuma.

Zbog većeg razmaka, silicijske fotodiode proizvode manje šuma od germanijskih fotodioda. Međutim, također je potrebno uzeti u obzir valnu duljinu potrebne fotodiode, a germanijeve fotodiode moraju se koristiti za valne duljine duže od oko 1000 nm.

Idite na 2. dio da biste saznali više.

Kontakt podaci:

Ako imate bilo kakvih ideja, slobodno nam se obratite. Bez obzira gdje su naši kupci i kakvi su naši zahtjevi, slijedit ćemo naš cilj da svojim kupcima pružimo visoku kvalitetu, niske cijene i najbolju uslugu.