Co to jest fotodioda? (Część 1)

Fotodiodajest urządzeniem półprzewodnikowym, które przekształca światło w prąd, a pomiędzy warstwami p (dodatnią) i n (ujemną) znajduje się warstwa wewnętrzna. Fotodioda otrzymuje energię świetlną jako wejście do wytwarzania prądu elektrycznego. Fotodiody nazywane są również fotodetektorami, czujnikami fotoelektrycznymi lub detektorami światła.

Fotodioda działa w warunkach polaryzacji wstecznej, to znaczy strona P fotodiody jest podłączona do elektrody ujemnej akumulatora (lub zasilacza), a strona N jest podłączona do elektrody dodatniej akumulatora. Typowymi materiałami fotodiody są krzem, german, fosforek arsenku indu i galu oraz arsenek indu i galu.

Wewnątrz fotodioda ma filtr światła, wbudowaną soczewkę i powierzchnię. Zwiększenie powierzchni fotodiody powoduje skrócenie czasu odpowiedzi. Bardzo niewiele fotodiod wygląda jak diody elektroluminescencyjne (LED). Ma dwa terminale, jak pokazano poniżej. Mniejsza końcówka służy jako katoda, a dłuższa końcówka służy jako anoda.

Symbol fotodiody jest podobny do symbolu diody LED, ale strzałka skierowana jest do wewnątrz zamiast na zewnątrz diody LED. Poniższy rysunek przedstawia symbol fotodiody.

1. Zasada działania fotodiody

Fotodiody działają poprzez tworzenie pary dziur elektronowych, gdy energetyczny foton uderza w diodę. Mechanizm ten jest również znany jako wewnętrzny efekt fotoelektryczny. Jeśli absorpcja zachodzi w złączu obszaru zubożenia, nośniki są usuwane ze złącza przez wewnętrzne pole elektryczne w obszarze zubożenia.

Zwykle, gdy światło oświetla złącze PN, wiązanie kowalencyjne jest zjonizowane. W ten sposób powstają dziury i pary elektronów. Fotoprąd jest generowany w wyniku generowania par elektron-dziura. Kiedy fotony o energii większej niż 1,1 eV uderzają w diodę, tworzą się pary elektron-dziura. Kiedy foton wchodzi w obszar zubożenia diody, uderza w atom z dużą energią. Powoduje to uwolnienie elektronów ze struktury atomu. Kiedy elektrony są uwalniane, powstają wolne elektrony i dziury.

Ogólnie rzecz biorąc, elektrony mają ładunek ujemny, a dziury mają ładunek dodatni. Wyczerpana energia będzie miała wbudowane pole elektryczne. Z powodu tego pola elektrycznego para elektron-dziura znajduje się daleko od złącza PN. W ten sposób dziury poruszają się w kierunku anody, a elektrony w kierunku katody, aby wytworzyć fotoprąd.

Intensywność absorpcji fotonu i energia fotonu są do siebie proporcjonalne. Im mniej energii ma zdjęcie, tym więcej pochłania. Cały ten proces nazywany jest wewnętrznym efektem fotoelektrycznym.

Wzbudzenie wewnętrzne i wzbudzenie zewnętrzne to dwie metody wzbudzania fotonów. Wewnętrzny proces wzbudzenia zachodzi, gdy elektrony w paśmie walencyjnym są wzbudzane przez fotony do pasma przewodnictwa.

2. Obwód roboczy fotodiody

Fotodiody działają głównie w trzech różnych trybach, którymi są:

(1)Tryb fotowoltaiczny

(2) Tryb fotoprzewodzący

(3) Tryb diody lawinowej

(1)Tryb fotowoltaiczny

Ten tryb jest również nazywany trybem zerowego odchylenia. Ten tryb jest preferowany, gdy fotodiody działają w zastosowaniach o niskiej częstotliwości i zastosowaniach z oświetleniem o bardzo wysokim poziomie energii. Kiedy lampa błyskowa uderza w fotodiodę, wytwarza napięcie. Otrzymane napięcie będzie miało bardzo mały zakres dynamiki i będzie miało nieliniową charakterystykę. Gdy fotodioda jest skonfigurowana z OP-AMP w tym trybie, zmiana temperatury będzie bardzo mała.

(2) Tryb fotoprzewodzący

W tym trybie fotodioda będzie działać w warunkach polaryzacji wstecznej. Katoda jest dodatnia, a anoda ujemna. Wraz ze wzrostem napięcia wstecznego zwiększa się również szerokość warstwy zubożonej. W rezultacie czas odpowiedzi i pojemność złącza zostaną zmniejszone. Natomiast ten tryb działania jest szybki i generuje szum elektroniczny.

(3) Tryb diody lawinowej

Diody lawinowe działają w warunkach wysokiego polaryzacji wstecznej, co pozwala na zwielokrotnienie rozpadu lawinowego na każdą parę elektron-dziura wytwarzaną przez fotoelektryczność. Rezultatem jest wewnętrzne wzmocnienie fotodiody, które powoli zwiększa odpowiedź urządzenia.

(4) Obwód fotodiody

Schemat obwodu fotodiody pokazano poniżej. Obwód można zbudować z rezystorem 10k i fotodiodą. Gdy fotodioda zauważy światło, przepuszcza przez nią trochę prądu. Suma prądu płynącego przez diodę może być proporcjonalna do sumy światła obserwowanego przez diodę.

3. Podłącz fotodiodę do obwodu zewnętrznego

Fotodioda działa w obwodzie spolaryzowanym zaporowo. Anoda jest połączona z masą obwodu, a katoda jest podłączona do dodatniego napięcia zasilania obwodu. Po oświetleniu światłem prąd elektryczny przepływa od katody do anody.

Gdy fotodiody są używane z zewnętrznym obwodem, są one podłączone do źródła zasilania w obwodzie. Prąd generowany przez fotodiodę będzie bardzo mały. Ta wartość prądu nie jest wystarczająca do napędzania urządzenia elektronicznego. Dlatego, gdy są podłączone do zewnętrznego źródła zasilania, dostarcza ono więcej prądu do obwodu. Tak więc bateria jest używana jako źródło zasilania. Źródło baterii pomaga zwiększyć wartość prądu, przyczyniając się do lepszej wydajności urządzeń zewnętrznych.

4. Proces produkcji fotodiody

Materiał fotodiody

Materiał fotodiody określa wiele jej właściwości. Kluczową cechą jest fala światła, na którą reaguje fotodioda, a drugą jest poziom szumów, z których oba w dużej mierze zależą od materiału użytego w fotodiodzie.

Ze względu na użycie różnych materiałów występują różne reakcje na długości fal, ponieważ tylko fotony o energii wystarczającej do wzbudzenia elektronów w paśmie wzbronionym materiału wytwarzają znaczną energię do generowania prądu z fotodiody.

Podczas gdy czułość materiału na długość fali jest bardzo ważna, innym parametrem, który może mieć znaczący wpływ na działanie fotodiody, jest poziom generowanego szumu.

Ze względu na większe pasmo wzbronione fotodiody krzemowe wytwarzają mniej szumów niż fotodiody germanowe. Jednak istnieje również potrzeba rozważenia długości fali wymaganej fotodiody, a fotodiody germanowe muszą być stosowane dla długości fal dłuższych niż około 1000 nm.

Przejdź do części 2, aby dowiedzieć się więcej.

Informacje kontaktowe:

Jeśli masz jakieś pomysły, możesz z nami porozmawiać. Bez względu na to, gdzie są nasi klienci i jakie są nasze wymagania, będziemy podążać za naszym celem, aby zapewnić naszym klientom wysoką jakość, niskie ceny i najlepszą obsługę.