Kas ir fotodiods: darba princips un tā raksturojums

Fotodiods ir a PN savienojuma diode kas patērē gaismas enerģiju elektriskās strāvas radīšanai. Dažreiz to sauc arī par foto detektoru, gaismas detektoru un foto sensoru. Šīs diodes ir īpaši paredzētas darbam apgrieztā slīpuma apstākļos, tas nozīmē, ka fotodiodes P puse ir saistīta ar akumulatora negatīvo spaili, un n puse ir savienota ar akumulatora pozitīvo spaili. Šī diode ir ļoti sarežģīta gaismā, tāpēc, kad gaisma nokrīt uz diode, tā viegli maina gaismu elektriskā strāvā. Saules baterija tiek arī apzīmēta kā liela laukuma fotodiode, jo tā pārveido saules enerģiju elektroenerģijā . Lai gan saules baterija darbojas tikai spilgtā gaismā.

Kas ir fotodiods?

Fotodiods ir viena veida gaismas detektors, ko izmanto, lai gaismu pārveidotu strāvā vai spriegumā, pamatojoties uz ierīces darbības režīmu. Tas ietver optiskos filtrus, iebūvētās lēcas un arī virsmas laukumus. Šīm diodēm ir lēns reakcijas laiks, kad palielinās fotodiodes virsmas laukums. Fotodiodes ir līdzīgas parastajām pusvadītāju diodēm, taču tās var būt vai nu redzamas, lai gaisma nokļūtu ierīces maigajā daļā. Vairākas diodes, kas paredzētas lietojot precīzi kā fotodiodu, arī PIN savienojums tiks izmantots nedaudz nekā parasti PN savienojums.

Daži fotodiodes izskatīsies gaismas diodi . Viņiem ir divi termināļi, kas nāk no gala. Diodes mazākais gals ir katoda spaile, bet garākais diodes gals ir anoda spaile. Anoda un katoda malas skatiet šajā shematiskajā diagrammā. Priekšējā novirzes stāvoklī parastā strāva plūst no anoda uz katodu, sekojot bultiņai diode simbolā. Fotostrāva plūst pretējā virzienā.

Fotodiodes veidi

Lai gan tirgū ir pieejami daudzi fotodiodu veidi, un tie visi darbojas pēc vieniem un tiem pašiem pamatprincipiem, lai gan dažus uzlabo citi efekti. Dažādu veidu fotodiodu darbība darbojas nedaudz savādāk, taču šo diodu pamatdarbība paliek nemainīga. Fotodiodu tipus, pamatojoties uz to uzbūvi un funkcijām, var klasificēt šādi.

• PN fotodiods
• Šotka fotodiods
• PIN fotodiods
• Lavīna fotodiods

PN fotodiods

Pirmais izstrādātais fotodiodes veids ir PN tips. Salīdzinot ar citiem veidiem, tā veiktspēja nav uzlabota, taču pašlaik to izmanto vairākās lietojumprogrammās. Fotodetektēšana galvenokārt notiek diodes noplicināšanas reģionā. Šis diode ir diezgan mazs, bet tā jutība nav liela salīdzinājumā ar citiem. Lūdzu, skatiet šo saiti, lai uzzinātu vairāk par PN diodi.

PIN fotodiods

Pašlaik visbiežāk lietotais fotodiods ir PIN tips. Šis diode spēcīgāk savāc gaismas fotonus, salīdzinot ar standarta PN fotodiodu, jo plašais iekšējais laukums starp P un N reģioniem ļauj savākt vairāk gaismas, un papildus tam tas piedāvā arī zemāku kapacitāti. Lūdzu, skatiet šo saiti, lai uzzinātu vairāk par PIN diode.

Lavīna fotodiods

Šāda veida diodes tiek izmantotas vāja apgaismojuma apgabalos, pateicoties tā augstajam pastiprināšanas līmenim. Tas rada augstu trokšņa līmeni. Tātad šī tehnoloģija nav piemērota visām lietojumprogrammām. Lūdzu, skatiet šo saiti, lai uzzinātu vairāk par lavīnas diode.

Šotka fotodiods

Schottky fotodiode izmanto Schottky diode, un tas ietver nelielu diodes savienojumu, kas nozīmē, ka ir maza savienojuma kapacitāte, tāpēc tā darbojas ar lielu ātrumu. Tādējādi šāda veida fotodiodi bieži izmanto optiskās sakaru sistēmās ar lielu joslas platumu (BW), piemēram, optisko šķiedru saites. Lūdzu, skatiet šo saiti, lai uzzinātu vairāk par Schottky diode.

Katram fotodiodu veidam ir savas priekšrocības un trūkumi. Šīs diodes izvēli var veikt, pamatojoties uz lietojumprogrammu. Dažādi parametri, kas jāņem vērā, izvēloties fotodiodu, galvenokārt ietver troksni, viļņa garumu, apgrieztās novirzes ierobežojumus, pastiprinājumu utt. Fotodiodes veiktspējas parametri ietver atsaucību, kvantu efektivitāti, tranzīta laiku vai reakcijas laiku.

Šīs diodes tiek plaši izmantotas lietojumos, kur nepieciešama gaismas klātbūtnes, krāsas, stāvokļa, intensitātes noteikšana. Šo diodu galvenās iezīmes ir šādas.

• Diodes linearitāte ir laba attiecībā pret krītošo gaismu
• Troksnis ir zems.
• Reakcija ir plaša spektra
• Izturīgs mehāniski
• Viegls un kompakts
• Gara dzīve

Nepieciešamie materiāli fotodiodes izgatavošanai un elektromagnētiskā spektra viļņu garuma diapazons ietver sekojošo

• Silīcija materiālam elektromagnētiskā spektra viļņu garuma diapazons būs (190-1100) nm
• Ģermānija materiālam elektromagnētiskā spektra viļņu garuma diapazons būs (400-1700) nm
• Indija gallija arsenīda materiālam elektromagnētiskā spektra viļņu garuma diapazons būs (800–2600) nm
• Svina (II) sulfīda materiālam elektromagnētiskā spektra viļņu garuma diapazons būs<1000-3500) nm
• Dzīvsudraba, kadmija telurīda materiālam elektromagnētiskā spektra viļņu garuma diapazons būs (400-14000) nm

Labākas joslu platuma dēļ Si bāzes fotodiodes rada zemāku troksni nekā Ge bāzes fotodiodes.

Celtniecība

Fotodiodes konstrukciju var veikt, izmantojot divus pusvadītājus, piemēram, P tipa un N tipa. Šajā konstrukcijā P tipa materiāla veidošanos var veikt, viegli difūzizējot P veida substrātu. Tātad difūzijas metodes dēļ var veidoties P + jonu slānis. N tipa substrātā var audzēt N tipa epitaksiālo slāni.

Fotodiodu uzbūve

P + difūzijas slāņa izstrādi var veikt virs stipri piedevēta N veida epitaksiālā slāņa. Kontakti ir veidoti ar metāliem, lai izveidotu divus spailes, piemēram, anodu un katodu. Diodes priekšējo daļu var sadalīt divos veidos, piemēram, aktīvās un neaktīvās virsmās.

Neaktīvās virsmas projektēšanu var veikt ar silīcija dioksīdu (SiO2). Uz aktīvas virsmas gaismas stari var pārspēt to, turpretī uz neaktīvas virsmas gaismas stari nevar uzsist. un aktīvo virsmu var pārklāt ar antirefleksijas materiālu, lai gaismas enerģija nezaudētu un augstāko no tās varētu mainīt strāvā.

Fotodiodes darbība

Fotodiodes darbības princips ir tāds, ka tad, kad diode pārspēj pietiekami daudz enerģijas fotonu, tas veido pāris elektronu caurumu. Šo mehānismu sauc arī par iekšējo fotoelektrisko efektu. Ja absorbcija rodas noplicināšanas reģiona krustojumā, tad nesējus no krustojuma noņem ar iebūvēto noplicināšanas reģiona elektrisko lauku.

Fotodiodes darbības princips

Tāpēc caurumi reģionā virzās uz anoda pusi, un elektroni virzās uz katodu, un tiks ģenerēta fotostrāva. Visa strāva caur diode ir gaismas un fotostrāvas neesamības summa. Tātad, lai maksimāli palielinātu ierīces jutīgumu, trūkstošā strāva ir jāsamazina.

Darbības režīmi

Fotodiodes darbības režīmi ietver trīs režīmus, proti, fotoelektrisko režīmu, fotovadītspējas režīmu, lavīndiodes režīmu

Fotoelektriskais režīms: Šis režīms ir pazīstams arī kā nulles novirzes režīms, kurā apgaismojumu izgaismojošais fotodiods rada spriegumu. Tas dod ļoti nelielu izveidotā sprieguma dinamisko diapazonu un nelineāru nepieciešamību.

Fotovadītspējas režīms: Šajā fotokonduktīvajā režīmā izmantotais fotodiods parasti ir pretējs. Reversā sprieguma izmantošana palielinās noplicināšanas slāņa platumu, kas savukārt samazina reakcijas laiku un krustojuma kapacitāti. Šis režīms ir pārāk ātrs un parāda elektronisko troksni

Lavīnas diodes režīms: Lavīnas diodes darbojas lielā pretējā novirzes stāvoklī, kas ļauj lavīnas sadalījumu pavairot katram fotoattēlu radītajam elektronu-caurumu pārim. Šis rezultāts ir fotodiodes iekšējais ieguvums, kas lēnām palielina ierīces reakciju.

Kāpēc fotodiods darbojas apgrieztā slīpumā?

Fotodiods darbojas fotovadoša režīmā. Kad diods ir savienots ar pretēju slīpumu, tad izsmidzināšanas slāņa platumu var palielināt. Tātad tas samazinās krustojuma kapacitāti un reakcijas laiku. Faktiski šī novirze izraisīs ātrāku reakcijas laiku diodei. Tātad fotostrāvas un apgaismojuma attiecība ir lineāri proporcionāla.

Kas ir labāks fotodiods vai fototransistors?

Gaismas fotodiods un fototransistors tiek izmantoti, lai gaismas enerģiju pārveidotu par elektrisko. Tomēr fototransistors ir jutīgāks, atšķirībā no fotodiodes tranzistora izmantošanas dēļ.

Transistors maina bāzes strāvu, ko izraisa gaismas absorbcija, un tāpēc milzīgo izejas strāvu var iegūt visā tranzistora kolektora spailē. Fotodiodu laika reakcija ir ļoti ātra, salīdzinot ar fototransistoru. Tātad tas ir piemērojams vietās, kur notiek ķēdes svārstības. Lai labāk izprastu, šeit mēs esam uzskaitījuši dažus fotodiodes un fotorezistora punktus.

Fotodiodes shēma

Fotodiodes shēma ir parādīta zemāk. Šo shēmu var uzbūvēt ar 10k rezistoru un fotodiodu. Kad fotodiods pamana gaismu, tad tas ļauj zināmu strāvas plūsmu visā tajā. Strāvas summa, kas tiek piegādāta caur šo diode, var būt tieši proporcionāla gaismas summai, kas pamanīta caur diode.

Ķēdes shēma

Fotodiodes pievienošana ārējā ķēdē

Jebkurā lietojumā fotodiods darbojas apgrieztā slīpuma režīmā. Ķēdes anoda spaili var savienot ar zemi, savukārt katoda spaili - ar strāvas avotu. Kad tas ir apgaismots caur gaismu, strāva no katoda spailes plūst uz anoda spaili.

Kad fotodiodes tiek izmantotas kopā ar ārējām ķēdēm, tās tiek savienotas ar strāvas avotu ķēdē. Tātad strāvas daudzums, ko rada fotodiods, būs ārkārtīgi mazs, tāpēc šī vērtība nav pietiekama, lai izveidotu elektronisku ierīci.

Kad tie ir savienoti ar ārēju enerģijas avotu, tas piegādā lielāku strāvu ķēdes virzienā. Šajā ķēdē akumulatoru izmanto kā strāvas avotu, lai palīdzētu palielināt strāvas vērtību, lai ārējās ierīces sniegtu labāku veiktspēju.

Fotodiodes efektivitāte

Fotodiodes kvantu efektivitāti var definēt kā absorbēto fotonu dalījumu, kas ziedo fotostrāvai. Šīm diodēm tas ir atklāti saistīts ar reaģētspēju ‘S’ bez lavīnas ietekmes, tad foto strāvu var izteikt kā

I = S P = ηe / hv. P

Kur,

‘Η’ ir kvantu efektivitāte

‘E’ ir elektrona lādiņš

‘Hν’ ir fotona enerģija

Fotodiodu kvantu efektivitāte ir ārkārtīgi augsta. Dažos gadījumos tas būs virs 95%, tomēr viļņa garumā tas ļoti mainās. Augsta kvantu efektivitāte prasa atstarojumu kontroli, izņemot augstu iekšējo efektivitāti, piemēram, pretatstarojuma pārklājumu.

Atsaucība

Fotodiodes reaktivitāte ir radušās fotostrāvas attiecība, kā arī absorbcijas optisko jaudu var noteikt atbildes lineārajā sadaļā. Fotodiodēs tas parasti ir maksimums viļņa garuma zonā, kur fotonu enerģija ir diezgan lielāka nekā joslas spraugas enerģija un samazinās joslu spraugas reģionā, kur absorbcija samazinās.

Fotodiodes aprēķinu var veikt, pamatojoties uz šādu vienādojumu

R = η (e / hv)

Šeit, iepriekš minētajā vienādojumā, ‘h ν’ ir fotona enerģija ‘η’ ir kvantu efektivitāte un ‘e’ elementāra lādiņa efektivitāte. Piemēram, fotodiodes kvantu efektivitāte pie 800 nm viļņa ir 90%, tad atsaucība būs 0,58 A / W.

Fotouzņēmējiem un lavīnu fotodiodēm ir papildu koeficients iekšējās strāvas reizināšanai, lai iespējamās vērtības būtu virs 1 A / W. Parasti strāvas reizināšana nav iekļauta kvantu efektivitātē.

PIN fotodiods Vs PN fotodiods

Abas fotodiodes, piemēram, PN & PIN, var iegūt no daudziem piegādātājiem. Fotodiodes izvēle ir ļoti svarīga, projektējot ķēdi, pamatojoties uz nepieciešamo veiktspēju, kā arī īpašībām.
PN fotodiods nedarbojas apgrieztā slīpumā, un tāpēc vājā apgaismojumā ir piemērotāk izmantot trokšņa veiktspēju.

PIN fotodiods, kas darbojas apgrieztā slīpumā, var ieviest trokšņa strāvu, lai samazinātu S / N attiecību
Augsta dinamiskā diapazona lietojumiem reversā slīpēšana sniegs labu sniegumu
Augstas kvalitātes BW lietošanai reversa novirze nodrošinās labu veiktspēju, piemēram, kapacitāte starp P & N reģioniem, un uzlādes jaudas uzglabāšana ir maza.

Priekšrocības

The fotodiodes priekšrocības iekļaujiet sekojošo.

• Mazāka pretestība
• Ātrs un liels darbības ātrums
• Ilgs mūžs
• Ātrākais fotodetektors
• Spektrālā atbilde ir laba
• Nelieto augstspriegumu
• Frekvences reakcija ir laba
• Ciets un mazs svars
• Tas ārkārtīgi reaģē uz gaismu
• Tumšā straume ir nogulsnes
• Augsta kvantu efektivitāte
• Mazāk trokšņa

Trūkumi

The fotodiodes trūkumi iekļaujiet sekojošo.

• Temperatūras stabilitāte ir slikta
• Izmaiņas strāvas robežās ir ārkārtīgi mazas, tāpēc var nebūt pietiekami, lai darbinātu ķēdi
• Aktīvā platība ir maza
• Parastais PN krustojuma fotodiode ietver lielu reakcijas laiku
• Tam ir mazāka jutība
• Tas galvenokārt darbojas atkarībā no temperatūras
• Tas izmanto kompensēto spriegumu

Fotodiodes pielietojumi

• Fotodiodes ir saistītas ar līdzīgiem fotodetektoru pielietojumiem, piemēram, ar lādiņu saistītām ierīcēm, fotovadītājiem un fotorezistoru caurulēm.
• Šīs diodes tiek izmantotas plaša patēriņa elektronikas ierīcēs, piemēram, dūmu detektori , kompaktdisku atskaņotāji, televizori un tālvadības pultis videomagnetofonos.
• Citās plaša patēriņa ierīcēs, piemēram, radio pulksteņos, kameru gaismas skaitītājos un ielu apgaismojumā, fotoelektrovadītājus izmanto biežāk nekā fotodiodes.
• Fotodiodes bieži izmanto precīzai gaismas intensitātes mērīšanai zinātnē un rūpniecībā. Parasti tiem ir uzlabota, lineārāka reakcija nekā fotovadītājiem.
• Fotodiodes tiek plaši izmantotas arī neskaitāmi medicīniski pielietojumi piemēram, instrumenti, lai analizētu paraugus, detektori datortomogrāfijai, kā arī izmantoti asins gāzu monitoros.
• Šīs diodes ir daudz ātrākas un sarežģītākas nekā parastās PN savienojuma diodes, tāpēc tās bieži izmanto apgaismojuma regulēšanai un optiskajos sakaros.

V-I fotodiodes raksturojums

Fotodiods nepārtraukti darbojas apgrieztā slīpuma režīmā. Fotodiodes raksturlielumi ir skaidri parādīti nākamajā attēlā, ka foto strāva ir gandrīz neatkarīga no pielietotā reversā slīpuma sprieguma. Nulles spilgtuma gadījumā fotostrāva ir gandrīz nulle, izņemot nelielu tumšu strāvu. Tas ir nano ampēru kārtā. Pieaugot optiskajai jaudai, foto strāva palielinās arī lineāri. Fotodiodes maksimālā jaudas izkliedēšana nav pilnīga.

Raksturlielumi

Tādējādi tas viss ir par fotodiodes darbības princips , raksturlielumi un lietojumi. Optoelektroniskās ierīces, piemēram, fotodiodes, ir pieejamas dažādos veidos, ko izmanto gandrīz visās elektroniskajās ierīcēs. Šīs diodes tiek izmantotas kopā ar IR gaismas avotiem, piemēram, neona, lāzera LED un fluorescējošām. Salīdzinot ar citām gaismas noteikšanas diodēm, šīs diodes nav dārgas. Mēs ceram, ka esat labāk izpratis šo koncepciju. Turklāt visi jautājumi par šo koncepciju vai īstenošanu elektriskie un elektroniskie projekti inženierzinātņu studentiem . Lūdzu, sniedziet savus vērtīgos ieteikumus, komentējot komentāru sadaļā zemāk. Šeit ir jautājums jums, kāda ir fotodiodes funkcija ?

Foto kredīti:

• Fotodiods hamamatsu
• Fotodiodes darbība fizika un radioelektronika
• V-I fotodiodes raksturojums eketutorials