Vad är en fotodiod: Arbetsprincip och dess egenskaper

En fotodiod är en PN-korsningsdiod som förbrukar ljusenergi för att producera en elektrisk ström. Ibland kallas det också en fotodetektor, en ljusdetektor och fotosensor. Dessa dioder är särskilt utformade för att fungera under omvända förspänningsförhållanden, det betyder att fotodiodens P-sida är associerad med batteriets minuspol och n-sidan är ansluten till den positiva polen på batteriet. Denna diod är väldigt komplex för ljus, så när ljuset faller på dioden byter det lätt ljus till en elektrisk ström. Solcellen är också märkt som en storfotodiod eftersom den omvandlar solenergi till elektrisk energi . Men solceller fungerar bara i starkt ljus.

Vad är fotodiod?

En fotodiod är en typ av ljusdetektor som används för att omvandla ljuset till ström eller spänning baserat på enhetens driftsätt. Den består av optiska filter, inbyggda linser och även ytarea. Dessa dioder har en långsam svarstid när fotodiodens yta ökar. Fotodioder liknar vanliga halvledardioder, men att de kan vara antingen synliga för att ljus ska nå den känsliga delen av enheten. Flera dioder avsedda för använd exakt som en fotodiod kommer också att använda en PIN-korsning något än den vanliga PN-korsningen.

Vissa fotodioder kommer att se ut en lysdiod . De har två terminaler som kommer från slutet. Den mindre änden av dioden är katodterminalen, medan den längre änden av dioden är anodterminalen. Se följande schematiska diagram för anod- och katodsidorna. Under det främre förspänningsförhållandet kommer den konventionella strömmen att flyta från anoden till katoden, efter pilen i diodsymbolen. Fotoström flyter i omvänd riktning.

Typer av fotodiod

Även om det finns många typer av fotodioder tillgängliga på marknaden och de fungerar alla på samma grundläggande principer, även om vissa förbättras av andra effekter. Arbetet med olika typer av fotodioder fungerar på ett något annorlunda sätt, men de grundläggande funktionerna för dessa dioder förblir desamma. Fotodioderna kan klassificeras utifrån deras konstruktion och funktion enligt följande.

• PN-fotodiod
• Schottky-fotodiod
• PIN-fotodiod
• Lavinfotodiod

PN-fotodiod

Den första utvecklade typen av fotodiod är PN-typen. Jämfört med andra typer är prestandan inte avancerad, men för närvarande används den i flera applikationer. Fotodetektionen sker huvudsakligen i diodens utarmningsregion. Denna diod är ganska liten men dess känslighet är inte stor jämfört med andra. Se den här länken om du vill veta mer om PN-dioden.

PIN-fotodiod

För närvarande är den vanligaste fotodioden en PIN-typ. Denna diod samlar ljusfotonerna mer kraftfullt jämfört med vanlig PN-fotodiod eftersom det breda inneboende området mellan P- och N-regionerna gör det möjligt att samla mer ljus, och utöver detta erbjuder den också en lägre kapacitans. Se den här länken om du vill veta mer om PIN-dioden.

Lavinfotodiod

Denna typ av diod används i områden med svagt ljus på grund av dess höga förstärkningsnivåer. Det genererar höga ljudnivåer. Så denna teknik är inte lämplig för alla applikationer. Se denna länk för att lära dig mer om lavin-dioden.

Schottky fotodiod

Schottky-fotodioden använder Schottky-dioden, och den innehåller en liten diodförbindelse som betyder att det finns liten förbindelsekapacitans så att den fungerar vid höga hastigheter. Således används denna typ av fotodiod ofta i optiska kommunikationssystem med hög bandbredd (BW) som fiberoptiska länkar. Se den här länken om du vill veta mer om Schottky-dioden.

Varje typ av fotodiod har sina egna fördelar och nackdelar. Valet av denna diod kan göras baserat på applikationen. De olika parametrarna som ska beaktas vid val av fotodiod inkluderar huvudsakligen brus, våglängd, omvänd förspänningsbegränsningar, förstärkning etc. Fotodiodens prestandaparametrar innefattar respons, kvanteffektivitet, transittid eller svarstid.

Dessa dioder används ofta i applikationer där detektering av närvaron av ljus, färg, position, intensitet krävs. Huvuddragen i dessa dioder inkluderar följande.

• Diodens linjäritet är bra med avseende på infallande ljus
• Bullret är lågt.
• Svaret är brett spektralt
• Robust mekaniskt
• Lätt och kompakt
• Långt liv

De nödvändiga materialen för att framställa en fotodiod och intervallet för elektromagnetiskt spektrum våglängdsområde inkluderar följande

• För kiselmaterial är det elektromagnetiska spektrumets våglängdsområde (190-1100) nm
• För Germanium-material kommer det elektromagnetiska spektrumets våglängdsområde att vara (400-1700) nm
• För indiumgalliumarsenidmaterial är det elektromagnetiska spektrumets våglängdsområde (800-2600) nm
• För bly (II) sulfidmaterial är det elektromagnetiska spektrumets våglängdsområde<1000-3500) nm
• För kvicksilver, kadmium Telluride-material kommer det elektromagnetiska spektrumets våglängdsområde att vara (400-14000) nm

På grund av deras bättre bandgap producerar Si-baserade fotodioder lägre brus än Ge-baserade fotodioder.

Konstruktion

Fotodiodkonstruktionen kan göras med två halvledare som P-typ och N-typ. I denna design kan bildningen av material av P-typ göras från diffusionen av substratet av P-typ som är lätt dopad. Så kan P + -jonskiktet bildas på grund av diffusionsmetoden. På substratet av N-typen kan det epitaxiella skiktet av N-typen odlas.

Fotodiodkonstruktion

Utvecklingen av ett P + diffusionsskikt kan ske över det kraftigt dopade N-typen epitaxialskikt. Kontakterna är utformade med metaller för att göra två terminaler som anod och katod. Diodens främre region kan delas in i två typer som aktiva och icke-aktiva ytor.

Utformningen av den icke-aktiva ytan kan göras med kiseldioxid (SiO2). På en aktiv yta kan ljusstrålarna slå över den, medan ljusstrålarna inte kan slå på en icke-aktiv yta. & den aktiva ytan kan täckas genom antireflektionsmaterialet så att ljusets energi inte kan förlora och det högsta av det kan ändras till strömmen.

Bearbetning av fotodiod

Funktionsprincipen för en fotodiod är att när en foton med riklig energi slår på dioden, blir den ett par elektronhål. Denna mekanism kallas också för den inre fotoelektriska effekten. Om absorptionen uppstår i utarmningsregionens korsning avlägsnas bärarna från korsningen genom det inbyggda elektriska fältet i utarmningsregionen.

Fotodiod Arbetsprincip

Därför rör sig hål i regionen mot anoden och elektroner rör sig mot katoden och en fotoströmning kommer att genereras. Hela strömmen genom dioden är summan av frånvaron av ljus och fotoströmmen. Så den frånvarande strömmen måste minskas för att maximera enhetens känslighet.

Driftlägen

Fotodiodens driftlägen innefattar tre lägen, nämligen fotovoltaiskt läge, fotokonduktivt läge, ett lavindiodläge

Solcellsläge: Detta läge är också känt som nollförspänningsläge, där en spänning alstras av den tända fotodioden. Det ger ett mycket litet dynamiskt område och icke-linjär nödvändighet av den bildade spänningen.

Fotoledande läge: Fotodioden som används i detta fotoledande läge är oftast omvänd förspänd. Omvänd spänningsapplikation kommer att öka utarmningsskiktets bredd, vilket i sin tur minskar svarstiden och övergångskapacitansen. Detta läge är för snabbt och visar elektroniskt brus

Lavin-diodläge: Lavin-dioder fungerar i ett högt omvänd förspänningsförhållande, vilket möjliggör multiplicering av en lavinuppdelning till varje fotoproducerat elektronhålspar. Detta resultat är en intern förstärkning i fotodioden, vilket långsamt ökar enhetsresponsen.

Varför drivs fotodioden i omvänd förspänning?

Fotodioden fungerar i fotoledande läge. När dioden är ansluten i omvänd förspänning kan utarmningsskiktets bredd ökas. Så detta kommer att minska kapacitansen för korsningen och responstiden. I själva verket kommer denna förspänning att orsaka snabbare svarstider för dioden. Så förhållandet mellan fotoström och ljusstyrka är linjärt proportionellt.

Vilken är bättre fotodiod eller fototransistor?

Både fotodioden och fototransistorn används för att omvandla ljusets energi till det elektriska. Emellertid är fototransistorn mer lyhörd som kontrasterad med fotodioden på grund av användningen av transistorn.

Transistorn ändrar basströmmen som orsakar på grund av ljusabsorption och därför kan den enorma utströmmen uppnås genom transistorns kollektorterminal. Fotodiodernas tidsrespons är mycket snabb jämfört med fototransistorn. Så det är tillämpligt där fluktuationer i kretsen uppstår. För bättre underdrift, här har vi listat ut några punkter med fotodiod vs fotoresistor.

Fotodiodkrets

Fotodiodens kretsschema visas nedan. Denna krets kan byggas med ett 10k-motstånd och en fotodiod. När fotodioden märker ljuset, tillåter det ett visst flöde av ström genom det. Summan av strömmen som matas genom denna diod kan vara direkt proportionell mot summan av ljus som uppmärksammas genom dioden.

Kretsschema

Ansluta en fotodiod till en extern krets

I alla applikationer fungerar fotodioden i omvänd förspänningsläge. Kretsens anodterminal kan anslutas till marken medan katodterminalen är ansluten till strömkällan. När den väl är upplyst genom ljus strömmar ström från katodterminalen till anodterminalen.

När fotodioder används med externa kretsar, allieras de till en strömkälla i kretsen. Så mängden ström som genereras genom en fotodiod kommer att vara extremt liten, så detta värde är inte tillräckligt för att göra en elektronisk enhet.

När de väl är anslutna till en yttre strömkälla, levererar den mer ström mot kretsen. I den här kretsen används batteriet som en strömkälla för att öka strömvärdet så att externa enheter ger bättre prestanda.

Fotodiodeffektivitet

Fotodiodens kvanteffektivitet kan definieras som delningen av de absorberade fotonerna som donerar till fotoströmmen. För dessa dioder är det öppet associerat med responsen 'S' utan effekt av en lavin, då kan fotoströmmen uttryckas som

I = S P = ηe / hv. P

Var,

'Η' är kvanteffektiviteten

”E” är elektronens laddning

'Hν' är fotonens energi

Fotodiodernas kvanteffektivitet är extremt hög. I vissa fall kommer den att vara över 95% men ändras kraftigt genom våglängden. Hög kvanteffektivitet kräver kontroll av reflektioner bortsett från en hög inre verkningsgrad som en antireflexbeläggning.

Lyhördhet

Responsen hos en fotodiod är förhållandet mellan fotoströmmen som genereras såväl som absorberad optisk effekt kan bestämmas inom den linjära sektionen av svaret. I fotodioder är det normalt maximalt i ett våglängdsområde varhelst fotonenergin är ganska högre än bandgapsenergin och minskar inom bandgapområdet varhelst absorptionen minskar.

Fotodiodberäkningen kan göras baserat på följande ekvation

R = η (e / hv)

Här, i ovanstående ekvation, är 'h ν' fotonens energi 'η' är effektiviteten hos kvant & 'e' laddningen av elementärt. Till exempel är kvanteffektiviteten för en fotodiod 90% vid en 800 nm våglängd, då blir responsiviteten 0,58 A / W.

För fotomultiplikatorer och lavinfotodioder finns det en extra faktor för multiplicering av inre ström, så att möjliga värden kommer att vara över 1 A / W. Generellt ingår inte multiplikationen av ström inom kvanteffektiviteten.

PIN-fotodiod Vs PN-fotodiod

Båda fotodioderna som PN & PIN kan uppnås från många leverantörer. Ett val av fotodiod är mycket viktigt vid utformning av en krets baserad på både prestanda och egenskaper.
En PN-fotodiod fungerar inte i omvänd bias och därför är det mer lämpligt för applikationer med svagt ljus för att förbättra ljudets prestanda.

PIN-fotodioden som fungerar i omvänd förspänning kan införa en brusström för att minska S / N-förhållandet
För applikationer med högt dynamiskt omfång ger omvänd förspänning bra prestanda
För höga BW-applikationer kommer omvänd förspänning att ge bra prestanda som kapacitansen bland regionerna för P & N och lagring av laddningskapacitet är liten.

Fördelar

De fördelar med fotodiod inkluderar följande.

• Mindre motstånd
• Snabb och hög driftshastighet
• Lång livslängd
• Snabbaste fotodetektorn
• Spektralrespons är bra
• Använder inte högspänning
• Frekvenssvaret är bra
• Solid och låg vikt
• Det är extremt lyhört för ljuset
• Mörk ström är läs
• Hög kvanteffektivitet
• Mindre buller

Nackdelar

De nackdelar med fotodiod inkluderar följande.

• Temperaturstabiliteten är dålig
• Strömförändringen är extremt liten, därför kanske det inte räcker för att driva kretsen
• Det aktiva området är litet
• Vanlig PN-kopplingsfotodiod innefattar en hög responstid
• Det har mindre känslighet
• Det fungerar främst beroende på temperaturen
• Den använder offset-spänning

Tillämpningar av fotodiod

• Tillämpningarna av fotodioder involverar liknande tillämpningar av fotodetektorer som laddningskopplade enheter, fotoledare och fotomultiplikatorrör.
• Dessa dioder används i konsumentelektronik som rökdetektorer , CD-spelare och TV-apparater och fjärrkontroller i videobandspelare.
• I andra konsumentenheter som klockradio, kameraljusmätare och gatubelysning används fotoledare oftare snarare än fotodioder.
• Fotodioder används ofta för exakt mätning av ljusintensiteten inom vetenskap och industri. Generellt har de ett förbättrat, mer linjärt svar än fotoledare.
• Fotodioder används också i stor utsträckning i många medicinska applikationer som instrument för att analysera prover, detektorer för datortomografi och även användas i blodgasövervakare.
• Dessa dioder är mycket snabbare och mer komplexa än vanliga PN-kopplingsdioder och används därför ofta för ljusreglering och i optisk kommunikation.

V-I-egenskaper hos fotodiod

En fotodiod arbetar kontinuerligt i omvänd förspänningsläge. Fotodiodens egenskaper visas tydligt i följande figur, att fotoströmmen är nästan oberoende av omvänd förspänning som appliceras. För noll luminans är fotoströmmen nästan noll exklusive för liten mörk ström. Det är i storleksordningen nano ampere. När den optiska effekten ökar stiger fotoströmmen också linjärt. Den maximala fotoströmmen är ofullständig av fotodiodens strömförlust.

Egenskaper

Således handlar det här om fotodiod arbetsprincip , egenskaper och applikationer. Optoelektroniska enheter som fotodioder finns i olika typer som används i nästan alla elektroniska enheter. Dessa dioder används med IR-ljuskällor som neon, laser-LED och lysrör. Jämfört med andra ljuddetekteringsdioder är dessa dioder inte dyra. Vi hoppas att du har fått en bättre förståelse för detta koncept. Dessutom frågor om detta koncept eller för att implementera elektriska och elektroniska projekt för ingenjörsstudenter . Vänligen ge dina värdefulla förslag genom att kommentera i kommentarfältet nedan. Här är en fråga till dig, vad är funktionen för en fotodiod ?

Fotokrediter:

• Fotodiod hamamatsu
• Bearbetning av fotodiod fysik och radioelektronik
• V-I-egenskaper hos fotodiod ecetutorials