Šta je fotodioda? (1. dio)

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

Fotodioda radi pod uvjetima obrnutog prednapona, to jest, P-strana fotodiode je spojena na negativnu elektrodu baterije (ili napajanja), a N-strana je spojena na pozitivnu elektrodu baterije. Tipični materijali fotodioda su silicijum, germanijum, indijum-galijum-arsenid-fosfid i indijum-galijum-arsenid.

Iznutra fotodioda ima svjetlosni filter, ugrađeno sočivo i površinu. Kada se površina fotodiode poveća, vrijeme odziva se smanjuje. Vrlo malo fotodioda izgleda kao diode koje emituju svjetlost (LED). Ima dva terminala, kao što je prikazano ispod. Manji terminal služi kao katoda, a duži terminal služi kao anoda.

Simbol fotodiode je sličan simbolu LED diode, ali strelica pokazuje unutra umjesto van u LED diodu. Slika ispod prikazuje simbol fotodiode.

1. Princip fotodiode

Fotodiode rade tako što stvaraju par elektronskih rupa kada energetski foton udari u diodu. Ovaj mehanizam je poznat i kao unutrašnji fotoelektrični efekat. Ako se apsorpcija dogodi u spoju područja iscrpljivanja, nosioci se uklanjaju iz spoja unutrašnjim električnim poljem u području iscrpljivanja.

Obično, kada svetlost osvetli PN spoj, kovalentna veza je jonizovana. Ovo stvara rupe i parove elektrona. Fotostruja nastaje zbog stvaranja parova elektron-rupa. Kada fotoni s energijama većim od 1,1eV udare u diodu, formiraju se parovi elektron-rupa. Kada foton uđe u područje iscrpljivanja diode, on udara u atom s velikom energijom. To rezultira oslobađanjem elektrona iz atomske strukture. Kada se elektroni oslobode, stvaraju se slobodni elektroni i rupe.

Općenito, elektroni imaju negativan naboj, a rupe imaju pozitivan naboj. Istrošena energija će imati ugrađeno električno polje. Zbog ovog električnog polja, par elektron-rupa je daleko od PN spoja. Dakle, rupe se kreću prema anodi, a elektroni se kreću prema katodi kako bi proizveli fotostruju.

Intenzitet apsorpcije fotona i energija fotona su proporcionalni jedni drugima. Što manje energije ima fotografija, to više upija. Cijeli ovaj proces naziva se unutrašnji fotoelektrični efekat.

Unutrašnja i ekstrinzična ekscitacija su dvije metode pobuđivanja fotona. Proces unutrašnje ekscitacije nastaje kada se elektroni u valentnom pojasu pobuđuju fotonima u pojas provodljivosti.

2. Radni krug fotodiode

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

(1) Fotonaponski način rada

(2)Fotokonduktivni način rada

(3) Režim lavinske diode

(1) Fotonaponski način rada

Ovaj način rada se također naziva nulti način rada. Ovaj način rada je poželjan kada fotodiode rade u niskofrekventnim aplikacijama i svjetlosnim aplikacijama na super-energetskom nivou. Kada blic udari u fotodiodu, stvara napon. Rezultirajući napon će imati vrlo mali dinamički raspon i imat će nelinearne karakteristike. Kada je fotodioda konfigurisana sa OP-AMP u ovom režimu, promena temperature će biti veoma mala.

(2)Fotokonduktivni način rada

U ovom režimu, fotodioda će raditi pod uslovima obrnutog prednapona. Katoda je pozitivna, a anoda negativna. Kako se reverzni napon povećava, širina sloja deplecije se također povećava. Kao rezultat, vrijeme odziva i kapacitet spoja će biti smanjeni. Nasuprot tome, ovaj način rada je brz i stvara elektronsku buku.

(3) Režim lavinske diode

Lavine diode rade u uslovima visokog reverznog prednapona, koji omogućavaju da se slom lavine umnoži na svaki par elektron-rupa proizveden fotoelektricom. Rezultat je interno pojačanje fotodiode, što polako povećava odziv uređaja.

(4) Fotodiodni krug

Dijagram strujnog kola fotodiode je prikazan ispod. Kolo se može konstruisati sa 10k otpornikom i fotodiodom. Jednom kada fotodioda primijeti svjetlost, ona dozvoljava da struja prođe kroz nju. Zbir struje dovedene kroz diodu može biti proporcionalan zbiru svjetlosti koja se promatra kroz diodu.

3. Spojite fotodiodu na vanjsko kolo

Fotodioda radi u krugu sa obrnutom pristrasnošću. Anoda je spojena na masu kola, a katoda na pozitivni napon napajanja kola. Kada je obasjan svjetlošću, električna struja teče od katode do anode.

Kada se fotodiode koriste sa eksternim kolom, one su povezane na napajanje u kolu. Struja koju generiše fotodioda bit će vrlo mala. Ova trenutna vrijednost nije dovoljna za pokretanje elektroničkog uređaja. Stoga, kada su spojeni na vanjsko napajanje, to osigurava više struje u kolu. Dakle, baterija se koristi kao izvor napajanja. Izvor baterije pomaže da se poveća trenutna vrijednost, doprinoseći boljim performansama vanjskih uređaja.

4. Proces proizvodnje fotodioda

Materijal fotodiode

Materijal fotodiode određuje mnoge njene karakteristike. Ključna karakteristika je talas svetlosti na koji fotodioda reaguje, a druga je nivo šuma, koji u velikoj meri zavise od materijala koji se koristi u fotodiodi.

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

Dok je osetljivost materijala na talasnu dužinu veoma važna, drugi parametar koji može imati značajan uticaj na performanse fotodiode je nivo generisane buke.

Zbog većeg raspona pojasa, silicijumske fotodiode proizvode manje šuma od germanijumskih fotodioda. Međutim, takođe postoji potreba da se uzme u obzir potrebna talasna dužina fotodiode, a germanijumske fotodiode se moraju koristiti za talasne dužine duže od oko 1000 nm.

Idite na 2. dio da saznate više.

Kontakt informacije:

Ako imate bilo kakvu ideju, slobodno nam se obratite. Bez obzira gdje se nalaze naši kupci i koji su naši zahtjevi, mi ćemo slijediti naš cilj da našim kupcima pružimo visok kvalitet, niske cijene i najbolju uslugu.