Fotodioda to Dioda złącza PN który zużywa energię świetlną do wytworzenia prądu elektrycznego. Czasami jest również nazywany fotodetektorem, detektorem światła i fotoczujnikiem. Diody te są specjalnie zaprojektowane do pracy w warunkach odwrotnego polaryzacji, co oznacza, że strona P fotodiody jest połączona z ujemnym biegunem baterii, a strona n jest połączona z dodatnim biegunem baterii. Ta dioda jest bardzo złożona do świecenia, więc kiedy światło pada na diodę, łatwo zmienia światło w prąd elektryczny. Ogniwo słoneczne jest również oznakowane jako fotodioda o dużej powierzchni, ponieważ tak przekształca energię słoneczną w energię elektryczną . Chociaż ogniwo słoneczne działa tylko w jasnym świetle.

Co to jest fotodioda?

Fotodioda to jeden rodzaj detektora światła, służący do zamiany światła na prąd lub napięcie w zależności od trybu pracy urządzenia. Obejmuje filtry optyczne, wbudowane soczewki, a także obszary powierzchni. Diody te mają długi czas odpowiedzi, gdy pole powierzchni fotodiody wzrasta. Fotodiody są podobne do zwykłych diod półprzewodnikowych, ale mogą być widoczne, aby światło dotarło do delikatnej części urządzenia. Kilka diod przeznaczonych do użycie dokładnie tak, jak fotodiody będzie również używać złącza PIN w pewnym stopniu niż zwykłego złącza PN.

Jak będą wyglądały fotodiody dioda elektroluminescencyjna . Mają dwa terminale wychodzące od końca. Mniejszy koniec diody to zacisk katody, a dłuższy koniec diody to zacisk anody. Zobacz poniższy schemat ideowy dla stron anody i katody. W warunkach polaryzacji do przodu, prąd konwencjonalny będzie płynął z anody do katody, zgodnie ze strzałką na symbolu diody. Fotoprąd płynie w odwrotnym kierunku.

Rodzaje fotodiody

Chociaż na rynku dostępnych jest wiele typów fotodiody i wszystkie działają na tych samych podstawowych zasadach, chociaż niektóre są ulepszane przez inne efekty. Działanie różnych typów fotodiod działa nieco inaczej, ale podstawowa obsługa tych diod pozostaje taka sama. Rodzaje fotodiod można podzielić na podstawie ich budowy i funkcji w następujący sposób.

Fotodioda PN
Dioda fotograficzna Schottky'ego
Fotodioda PIN
Fotodioda lawinowa

Fotodioda PN

Pierwszym opracowanym rodzajem fotodiody jest typ PN. W porównaniu z innymi typami jego wydajność nie jest zaawansowana, ale obecnie znajduje zastosowanie w kilku aplikacjach. Fotodetekcja zachodzi głównie w obszarze zubożenia diody. Ta dioda jest dość mała, ale jej czułość nie jest duża w porównaniu z innymi. Proszę zapoznać się z tym linkiem, aby dowiedzieć się więcej o diodzie PN.

“jakie są zastosowania prądu elektrycznego? ”

Fotodioda PIN

Obecnie najczęściej używaną fotodiodą jest typ PIN. Ta dioda gromadzi fotony światła mocniej w porównaniu ze standardową fotodiodą PN, ponieważ szeroki wewnętrzny obszar między regionami P i N umożliwia zbieranie większej ilości światła, a ponadto oferuje również niższą pojemność. Proszę zapoznać się z tym linkiem, aby dowiedzieć się więcej o diodzie PIN.

Fotodioda lawinowa

Ten rodzaj diody jest używany w obszarach o słabym oświetleniu ze względu na wysoki poziom wzmocnienia. Generuje wysoki poziom hałasu. Dlatego ta technologia nie jest odpowiednia dla wszystkich zastosowań. Proszę odnieść się do tego linku, aby dowiedzieć się więcej o diodzie lawinowej.

Fotodioda Schottky'ego

Fotodioda Schottky'ego wykorzystuje diodę Schottky'ego i zawiera małe złącze diodowe, co oznacza, że ma małą pojemność złącza, więc działa z dużymi prędkościami. Dlatego ten rodzaj fotodiody jest często wykorzystywany w systemach komunikacji optycznej o dużej szerokości pasma (BW), takich jak łącza światłowodowe. Proszę odnieść się do tego linku, aby dowiedzieć się więcej o diodzie Schottky'ego.

Każdy typ fotodiody ma swoje zalety i wady. Wyboru tej diody można dokonać na podstawie aplikacji. Różne parametry, które należy wziąć pod uwagę przy wyborze fotodiody, obejmują głównie szum, długość fali, ograniczenia polaryzacji wstecznej, wzmocnienie itp. Parametry wydajności fotodiody obejmują odpowiedź, wydajność kwantową, czas przejścia lub czas odpowiedzi.

Diody te są szeroko stosowane w aplikacjach, w których wymagane jest wykrywanie obecności światła, koloru, położenia, intensywności. Oto główne cechy tych diod.

Liniowość diody jest dobra pod względem padającego światła
Hałas jest niski.
Odpowiedź jest szeroka
Wytrzymały mechanicznie
Lekki i kompaktowy
Długie życie

Wymagane materiały do wykonania fotodiody i zakres długości fal widma elektromagnetycznego obejmują:

W przypadku materiału krzemowego zakres długości fal widma elektromagnetycznego będzie wynosił (190-1100) nm
W przypadku materiału zawierającego german zakres długości fal widma elektromagnetycznego będzie wynosił (400-1700) nm
W przypadku materiału z arsenku indu i galu zakres długości fal widma elektromagnetycznego będzie wynosił (800-2600) nm
W przypadku materiału siarczkowego ołowiu (II) zakres długości fal widma elektromagnetycznego będzie wynosił<1000-3500) nm
W przypadku rtęci, Tellurku kadmu, zakres długości fal widma elektromagnetycznego będzie wynosił (400-14000) nm

Ze względu na lepsze pasmo wzbronione fotodiody na bazie Si wytwarzają niższy szum niż fotodiody na bazie Ge.

Budowa

Konstrukcja fotodiody może być wykonana przy użyciu dwóch półprzewodników, takich jak typ P i typ N. W tej konstrukcji, tworzenie materiału typu P można przeprowadzić poprzez dyfuzję lekko domieszkowanego podłoża typu P. Zatem warstwa jonów P + może powstać dzięki metodzie dyfuzyjnej. Na podłożu typu N można wyhodować warstwę epitaksjalną typu N.

Budowa fotodiody

Utworzenie warstwy dyfuzyjnej P + można przeprowadzić na silnie domieszkowanej warstwie epitaksjalnej typu N. Styki są zaprojektowane z metali, aby utworzyć dwa zaciski, takie jak anoda i katoda. Przedni obszar diody można podzielić na dwa typy, takie jak powierzchnie aktywne i nieaktywne.

Projektowanie powierzchni nieaktywnej można wykonać za pomocą dwutlenku krzemu (SiO2). Na powierzchni aktywnej promienie świetlne mogą padać na nią, podczas gdy na powierzchni nieaktywnej promienie świetlne nie mogą padać. & Aktywna powierzchnia może być pokryta materiałem antyrefleksyjnym, dzięki czemu energia światła nie może stracić, a najwyższa z niej może zostać zamieniona w prąd.

Działanie fotodiody

Zasada działania fotodiody polega na tym, że kiedy foton o dużej energii uderza w diodę, tworzy dziurę elektronową. Ten mechanizm nazywany jest również wewnętrznym efektem fotoelektrycznym. Jeśli absorpcja pojawia się w połączeniu obszaru zubożenia, wówczas nośniki są usuwane ze złącza przez wbudowane pole elektryczne obszaru zubożenia.

Zasada działania fotodiody

Dlatego dziury w regionie przesuwają się w kierunku anody, a elektrony poruszają się w kierunku katody i zostanie wygenerowany fotoprąd. Cały prąd przepływający przez diodę jest sumą braku światła i fotoprądu. Dlatego brakujący prąd musi zostać zredukowany, aby zmaksymalizować czułość urządzenia.

Tryby działania

Tryby pracy fotodiody obejmują trzy tryby, a mianowicie tryb fotowoltaiczny, tryb fotoprzewodzący, tryb diody lawinowej

Tryb fotowoltaiczny: Ten tryb jest również znany jako tryb zerowego odchylenia, w którym oświetlona fotodioda wytwarza napięcie. Daje bardzo mały zakres dynamiczny i nieliniową konieczność wytworzonego napięcia.

Tryb fotoprzewodzący: Fotodioda używana w tym trybie fotoprzewodzącym jest zwykle spolaryzowana odwrotnie. Zastosowanie napięcia wstecznego zwiększy szerokość warstwy zubożonej, co z kolei zmniejszy czas odpowiedzi i pojemność złącza. Ten tryb jest zbyt szybki i wyświetla szum elektroniczny

Tryb diody lawinowej: Diody lawinowe działają w warunkach wysokiego odwróconego polaryzacji, co pozwala na zwielokrotnienie załamania lawinowego na każdą wytworzoną przez fotografię parę elektron-dziura. Wynikiem tego jest wewnętrzne wzmocnienie fotodiody, które powoli zwiększa odpowiedź urządzenia.

Dlaczego fotodioda działa w odwrotnej polaryzacji?

Fotodioda działa w trybie fotoprzewodzącym. Gdy dioda jest podłączona odwrotnie, wówczas można zwiększyć szerokość warstwy zubażającej. Więc to zmniejszy pojemność złącza i czas odpowiedzi. W rzeczywistości to odchylenie spowoduje szybsze czasy odpowiedzi diody. Zatem związek między fotoprądem a natężeniem oświetlenia jest liniowo proporcjonalny.

“Tabela prawdy dekodera 2-4 ”

Która jest lepsza fotodioda lub fototranzystor?

Zarówno fotodioda, jak i fototranzystor służą do zamiany energii światła na elektryczną. Jednak fototranzystor jest bardziej responsywny w porównaniu z fotodiodą ze względu na wykorzystanie tranzystora.

Tranzystor zmienia prąd bazowy, który powoduje z powodu absorpcji światła, a zatem ogromny prąd wyjściowy można uzyskać na zacisku kolektora tranzystora. Odpowiedź czasowa fotodiod jest bardzo szybka w porównaniu z fototranzystorem. Tak więc ma to zastosowanie tam, gdzie występuje fluktuacja w obwodzie. Dla lepszego zrozumienia, tutaj wymieniliśmy kilka punktów dotyczących fotodiody i fotorezystora.

Fotodioda	Fototranzystor
Urządzenie półprzewodnikowe, które przekształca energię ze światła w prąd elektryczny, jest znane jako fotodioda.	Fototranzystor służy do zamiany energii światła na prąd elektryczny za pomocą tranzystora.
Generuje zarówno prąd, jak i napięcie	Generuje prąd
Czas odpowiedzi to szybkość	Czas odpowiedzi jest długi
Jest mniej czuły w porównaniu z fototranzystorem	Jest responsywny i generuje ogromny prąd o / p.
Ta dioda działa w obu warunkach polaryzacji	Ta dioda działa tylko w trybie polaryzacji do przodu.
Jest stosowany w światłomierzach, elektrowniach słonecznych itp	Służy do wykrywania światła

Obwód fotodiody

Schemat obwodu fotodiody pokazano poniżej. Ten obwód można zbudować z rezystorem 10k i fotodiodą. Gdy fotodioda zauważy światło, pozwala na przepływ prądu. Suma prądu dostarczanego przez tę diodę może być wprost proporcjonalna do sumy światła dostrzeganego przez diodę.

Schemat obwodu

Podłączanie fotodiody w obwodzie zewnętrznym

W każdej aplikacji fotodioda działa w trybie reverse bias. Zacisk anodowy obwodu może być połączony z masą, natomiast zacisk katodowy jest podłączony do źródła zasilania. Po oświetleniu światłem, prąd płynie od zacisku katody do zacisku anody.

Gdy fotodiody zostaną wykorzystane w obwodach zewnętrznych, są one sprzymierzone ze źródłem zasilania w obwodzie. Tak więc ilość prądu generowanego przez fotodiodę będzie niezwykle mała, więc ta wartość nie jest wystarczająca do wykonania urządzenia elektronicznego.

Po podłączeniu do zewnętrznego źródła zasilania dostarcza on więcej prądu do obwodu. W tym obwodzie bateria służy jako źródło zasilania, aby pomóc w zwiększeniu wartości prądu, dzięki czemu urządzenia zewnętrzne zapewniają lepszą wydajność.

Wydajność fotodiody

Wydajność kwantową fotodiody można zdefiniować jako podział zaabsorbowanych fotonów, które oddają się do fotoprądu. W przypadku tych diod jest to otwarcie związane z odpowiedzią „S” bez efektu lawiny, wówczas fotoprąd można wyrazić jako

I = S P = ηe / hv. P.

Gdzie,

„Η” oznacza wydajność kwantową

„E” to ładunek elektronu

„Hν” to energia fotonu

Wydajność kwantowa fotodiod jest niezwykle wysoka. W niektórych przypadkach przekroczy 95%, jednak zmienia się znacznie w zależności od długości fali. Wysoka wydajność kwantowa wymaga kontroli odbić poza wysoką wydajnością wewnętrzną, taką jak powłoka przeciwodblaskowa.

Odpowiedzialność

Reaktywność fotodiody to stosunek generowanego fotoprądu, jak również zaabsorbowana moc optyczna, którą można określić w liniowym przekroju odpowiedzi. W fotodiodach zwykle jest ona maksymalna w obszarze długości fali, gdzie energia fotonu jest znacznie wyższa niż energia przerwy wzbronionej i spada w obszarze przerwy zabronionej, gdziekolwiek zmniejsza się absorpcja.

Obliczenia fotodiody można wykonać na podstawie następującego równania

R = η (e / hv)

Tutaj, w powyższym równaniu, „h ν” jest energią fotonu „η” jest sprawnością kwantu, a „e” ładunkiem elementarnym. Na przykład wydajność kwantowa fotodiody wynosi 90% przy długości fali 800 nm, wówczas czułość wyniesie 0,58 A / W.

“napięcie tętnienia prostownika półfalowego ”

W przypadku fotopowielaczy i fotodiod lawinowych istnieje dodatkowy współczynnik mnożenia prądu wewnętrznego, tak że możliwe wartości będą powyżej 1 A / W. Ogólnie rzecz biorąc, zwielokrotnienie prądu nie jest uwzględnione w wydajności kwantowej.

Fotodioda PIN Vs PN Fotodioda

Obie fotodiody, takie jak PN i PIN, można nabyć u wielu dostawców. Wybór fotodiody jest bardzo ważny podczas projektowania obwodu w oparciu o wymagane parametry i właściwości.
Fotodioda PN nie działa w odwrotnej polaryzacji, w związku z czym jest bardziej odpowiednia do zastosowań przy słabym oświetleniu, aby zwiększyć wydajność szumu.

Fotodioda PIN, która działa w odwrotnym polaryzacji, może wprowadzić prąd szumowy, aby zmniejszyć stosunek S / N
W zastosowaniach o wysokim zakresie dynamicznym, odwrotne polaryzowanie zapewni dobrą wydajność
W zastosowaniach o wysokim BW, odwrotne polaryzacja zapewni dobrą wydajność, taką jak pojemność w obszarach P & N, a pojemność magazynowania ładunku jest niewielka.

Zalety

Plik zalety fotodiody obejmują następujące elementy.

Mniejszy opór
Szybka i duża prędkość działania
Długa żywotność
Najszybszy fotodetektor
Odpowiedź widmowa jest dobra
Nie używa wysokiego napięcia
Pasmo przenoszenia jest dobre
Solidny i lekki
Jest niezwykle wrażliwy na światło
Ciemny prąd jest osadem
Wysoka wydajność kwantowa
Mniej hałasu

Niedogodności

Plik wady fotodiody obejmują następujące elementy.

Stabilność temperatury jest słaba
Zmiana prądu jest bardzo mała, dlatego może nie wystarczyć do wysterowania obwodu
Obszar aktywny jest niewielki
Zwykła fotodioda złącza PN ma długi czas odpowiedzi
Ma mniejszą wrażliwość
Działa głównie w zależności od temperatury
Wykorzystuje napięcie offsetowe

Zastosowania fotodiody

Zastosowania fotodiod obejmują podobne zastosowania fotodetektorów, takich jak urządzenia ze sprzężeniem ładunkowym, fotoprzewodniki i fotopowielacze.
Diody te są używane w urządzeniach elektroniki użytkowej, takich jak wykrywacze dymu , odtwarzacze płyt kompaktowych oraz telewizory i piloty w magnetowidach.
W innych urządzeniach konsumenckich, takich jak radiobudziki, światłomierze z kamerą i oświetlenie uliczne, fotoprzewodniki są częściej używane niż fotodiody.
Fotodiody są często używane do dokładnego pomiaru natężenia światła w nauce i przemyśle. Generalnie mają wzmocnioną, bardziej liniową odpowiedź niż fotoprzewodniki.
Fotodiody są również szeroko stosowane w liczne zastosowania medyczne jak instrumenty do analizy próbek, detektory do tomografii komputerowej, a także używane w gazometrach.
Diody te są znacznie szybsze i bardziej złożone niż zwykłe diody złączowe PN i dlatego są często używane do regulacji oświetlenia i komunikacji optycznej.

Charakterystyka V-I fotodiody

Fotodioda stale działa w trybie odwrotnego polaryzacji. Charakterystyka fotodiody jest wyraźnie pokazana na poniższym rysunku, że fotoprąd jest prawie niezależny od przyłożonego napięcia polaryzacji wstecznej. Dla zerowej luminancji, fotoprąd jest prawie zerowy, z wyłączeniem małego prądu ciemnego. Jest rzędu nanoamperów. Wraz ze wzrostem mocy optycznej, fotoprąd również rośnie liniowo. Maksymalny prąd fotoprądowy jest niekompletny z powodu rozpraszania mocy fotodiody.

Charakterystyka

Tak więc to wszystko dotyczy Zasada działania fotodiody , charakterystyka i zastosowania. Urządzenia optoelektroniczne, takie jak fotodiody, są dostępne w różnych typach, które są używane w prawie wszystkich urządzeniach elektronicznych. Diody te są używane ze źródłami światła podczerwonego, takimi jak neon, laserowe diody LED i fluorescencyjne. W porównaniu z innymi diodami wykrywającymi światło, diody te nie są drogie. Mamy nadzieję, że lepiej zrozumieliście tę koncepcję. Ponadto wszelkie pytania dotyczące tej koncepcji lub do wdrożenia projekty elektryczne i elektroniczne dla studentów inżynierii . Podaj swoje cenne sugestie, komentując w sekcji komentarzy poniżej. Oto pytanie do Ciebie, jaka jest funkcja fotodiody ?

Kredyty fotograficzne: