Mis on fotodiood: tööpõhimõte ja selle omadused

Fotodiood on a PN-ristmiku diood mis tarbib elektrivoolu saamiseks valgusenergiat. Mõnikord nimetatakse seda ka fotodetektoriks, valgusdetektoriks ja fotoanduriks. Need dioodid on spetsiaalselt loodud töötama vastupidises eelpinges, see tähendab, et fotodioodi P-pool on seotud aku negatiivse klemmiga ja n-pool on ühendatud aku positiivse klemmiga. See diood on valguse jaoks väga keeruline, nii et kui valgus langeb dioodile, muudab see valguse kergesti elektrivooluks. Päikesepatarei on kaubamärgis ka suure pindalaga fotodiood, kuna see muudab päikeseenergia elektrienergiaks . Kuigi päikeseelement töötab ainult eredas valguses.

Mis on fotodiood?

Fotodiood on ühte tüüpi valgusdetektor, mida kasutatakse valguse muundamiseks vooluks või pingeks, lähtudes seadme töörežiimist. See koosneb optilistest filtritest, sisseehitatud läätsedest ja ka pindadest. Nendel dioodidel on aeglane reaktsiooniaeg, kui fotodioodi pindala suureneb. Fotodioodid on sarnased tavaliste pooljuhtdioodidega, kuid need võivad olla kas nähtavad, et valgus jõuaks seadme õrna osani. Mitu dioodi mõeldud kasutage täpselt fotodioodina, kasutab ka PIN-ristmikku mõnevõrra kui tavaline PN-ristmik.

Mõned fotodioodid näevad välja valgusdiood . Neil on otsast kaks terminali. Dioodi väiksem ots on katoodi klemm, dioodi pikem ots aga anoodi klemm. Anoodi ja katoodi külgede kohta vaadake järgmist skeemi. Ettepoole suunatud kallutamise tingimustes voolab tavapärane vool anoodilt katoodile, järgides dioodisümboli noolt. Fotovool voolab vastupidises suunas.

Fotodioodi tüübid

Ehkki turul on saadaval arvukalt fotodioodi tüüpe ja need kõik töötavad samade põhiprintsiipide järgi, ehkki mõnda efekti parandavad mõned. Erinevat tüüpi fotodioodide töö töötab küll pisut erineval viisil, kuid nende dioodide põhitoiming jääb samaks. Fotodioodide tüüpe saab nende ehituse ja funktsioonide alusel klassifitseerida järgmiselt.

• PN fotodiood
• Schottky fotodiood
• PIN-fotodiood
• Laviini fotodiood

PN fotodiood

Esimene fotodioodi väljatöötatud tüüp on PN-tüüp. Võrreldes teiste tüüpidega pole selle jõudlus arenenud, kuid praegu kasutatakse seda mitmes rakenduses. Fototuvastus toimub peamiselt dioodi ammendumispiirkonnas. See diood on üsna väike, kuid selle tundlikkus pole teistega võrreldes suur. PN-dioodi kohta lisateabe saamiseks vaadake seda linki.

PIN-fotodiood

Praegu on kõige sagedamini kasutatav PIN-tüüpi fotodiood. See diood kogub valguse footoneid võrreldes tavalise PN-fotodioodiga võimsamalt, kuna P ja N piirkondade lai sisemine ala võimaldab koguda rohkem valgust ja lisaks sellele pakub see ka väiksemat mahtuvust. PIN-dioodi kohta lisateabe saamiseks vaadake seda linki.

Laviini fotodiood

Sellist dioodi kasutatakse kõrge valgustugevuse tõttu vähese valgusega piirkondades. See tekitab kõrget müra. Nii et see tehnoloogia ei sobi kõigi rakenduste jaoks. Avalanche dioodi kohta lisateabe saamiseks vaadake seda linki.

Schottky fotodiood

Schottky fotodiood kasutab Schottky dioodi ja see sisaldab väikest dioodi ristmikku, mis tähendab, et ristmiku mahtuvus on väike, nii et see töötab suurel kiirusel. Seega kasutatakse sellist fotodioodi sageli suure ribalaiusega (BW) optilistes sidesüsteemides, näiteks fiiberoptilistes linkides. Schottky dioodi kohta lisateabe saamiseks vaadake seda linki.

Igal fotodioodi tüübil on oma eelised ja puudused. Selle dioodi saab valida rakenduse põhjal. Erinevad parameetrid, mida fotodioodi valimisel tuleb arvestada, hõlmavad peamiselt müra, lainepikkust, vastupidise eelhäälestuse piiranguid, võimendust jne. Fotodioodi jõudlusparameetrid hõlmavad reageerimisvõimet, kvantefektiivsust, transiidiaega või reageerimisaega.

Neid dioode kasutatakse laialdaselt rakendustes, kus on vaja tuvastada valguse olemasolu, värvi, asukohta ja intensiivsust. Nende dioodide peamised omadused hõlmavad järgmist.

• Dioodi lineaarsus on langeva valguse suhtes hea
• Müra on madal.
• Vastus on lai spektraalne
• Vanker mehaaniliselt
• Kerge ja kompaktne
• Pikk elu

Fotodioodi ja elektromagnetilise spektri lainepikkuste vahemiku valmistamiseks vajalikud materjalid hõlmavad järgmist

• Räni materjali puhul on elektromagnetilise spektri lainepikkuste vahemik (190-1100) nm
• Germaaniummaterjali puhul on elektromagnetilise spektri lainepikkuste vahemik (400–1700) nm
• Indium-galliumarseniidi materjali elektromagnetilise spektri lainepikkuste vahemik on (800–2600) nm
• Plii (II) sulfiidmaterjali puhul on elektromagnetilise spektri lainepikkuste vahemik<1000-3500) nm
• Elavhõbeda, kaadmiumtelluriidi materjali puhul on elektromagnetilise spektri lainepikkuste vahemik (400–14000) nm

Parema ribalaiuse tõttu tekitavad Si-põhised fotodioodid madalamat müra kui Ge-põhised fotodioodid.

Ehitus

Fotodioodi ehitamiseks saab kasutada kahte pooljuhti, näiteks P-tüüpi ja N-tüüpi. Selles konstruktsioonis saab P-tüüpi materjali moodustada kergelt legeeritud P-tüüpi substraadi difusiooni teel. Niisiis, difusioonimeetodi tõttu saab moodustada P + ioonide kihi. N-tüüpi substraadil saab kasvatada N-tüüpi epitaksiaalset kihti.

Fotodioodide ehitus

P + difusioonikihi saab välja töötada tugevalt legeeritud N-tüüpi epitaksiaalse kihi kohal. Kontaktid on mõeldud metallidega, et teha kaks klemmi nagu anood ja katood. Dioodi esiosa saab jagada kahte tüüpi nagu aktiivsed ja mitteaktiivsed pinnad.

Mitteaktiivse pinna saab kujundada ränidioksiidiga (SiO2). Aktiivsel pinnal võivad valguskiired üle selle lüüa, mitteaktiivsel aga valguskiired. & aktiivse pinna saab peegeldumisvastase materjali kaudu katta, nii et valgusenergia ei saa kaotsi minna ja sellest kõrgeima saab muuta vooluks.

Fotodioodi töö

Fotodioodi tööpõhimõte on see, et kui dioodile lööb küllaldase energiaga footon, teeb see paar elektronaugu. Seda mehhanismi nimetatakse ka sisemiseks fotoelektriliseks efektiks. Kui neeldumine toimub ammendumispiirkonna ristmikul, eemaldatakse kandurid ristmikust tühjenduspiirkonna sisseehitatud elektrivälja abil.

Fotodioodi tööpõhimõte

Seetõttu liiguvad piirkonna augud anoodi suunas ja elektronid katoodi suunas ning tekib fotovool. Kogu dioodi läbiv vool on valguse ja fotovoolu puudumise summa. Nii et seadme tundlikkuse maksimeerimiseks tuleb puuduvat voolu vähendada.

Töörežiimid

Fotodioodi töörežiimid hõlmavad kolme režiimi, nimelt fotogalvaanilist režiimi, fotojuhtivat režiimi, laviini dioodi režiimi

Fotogalvaaniline režiim: Seda režiimi tuntakse ka kui null-eelhäälestusrežiimi, kus valgustatud fotodiood tekitab pinge. See annab moodustunud pingele väga väikese dünaamilise ulatuse ja mittelineaarse vajaduse.

Fotojuhtiv režiim: Selles fotojuhtivas režiimis kasutatav fotodiood on tavaliselt vastupidine. Pöördpinge rakendamine suurendab ammendumiskihi laiust, mis omakorda vähendab reaktsiooniaega ja ristmiku mahtuvust. See režiim on liiga kiire ja kuvab elektroonilist müra

Laviinidioodi režiim: Laviinidioodid töötavad suure vastupidise eelsoodumusega tingimustes, mis võimaldab laviini purunemise korrutada igale fototoodetud elektron-aukupaarile. See tulemus on fotodioodi sisemine võimendus, mis suurendab seadme reaktsiooni aeglaselt.

Miks fotodioodi kasutatakse vastupidises eelarvamuses?

Fotodiood töötab fotojuhtimisrežiimis. Kui diood on ühendatud vastupidises suunas, saab tühjenduskihi laiust suurendada. Nii vähendab see ristmiku mahtuvust ja reageerimisaega. Tegelikult põhjustab see kallutamine dioodile kiirema reageerimisaja. Seega on seos fotovoolu ja valgustatuse vahel lineaarselt proportsionaalne.

Kumb on parem fotodiood või fototransistor?

Nii fotodioodi kui ka fototransistorit kasutatakse valguse energia muundamiseks elektriliseks. Fototransistor on aga transistori kasutamise tõttu fotodioodile vastandlikum.

Transistor muudab valguse neeldumise tõttu põhjustatud baasivoolu ja seetõttu võib tohutu väljundvoolu saada kogu transistori kollektoriklemmis. Fotodioodide ajareaktsioon on fototransistoriga võrreldes väga kiire. Nii et see on rakendatav seal, kus vooluringis esineb kõikumisi. Parema alahindamise huvides on siin välja toodud mõned fotodioodi ja fototakisti punktid.

Fotodioodi ahel

Fotodioodi skeem on toodud allpool. Selle vooluahela saab ehitada 10k takisti ja fotodioodiga. Kui fotodiood märgab valgust, laseb see kogu voolu ulatuses voolata. Selle dioodi kaudu tarnitava voolu summa võib olla otseselt proportsionaalne dioodi kaudu märgatud valguse summaga.

Vooluringi skeem

Fotodioodi ühendamine välises vooluringis

Igas rakenduses töötab fotodiood vastupidises eelpinge režiimis. Vooluahela anoodiklemmi saab ühendada maapinnaga, katoodiklemm aga toiteallikaga. Kui see on valgustatud läbi valguse, voolab vool katoodi terminalist anoodi terminali.

Kui fotodioode on kasutatud väliste vooluahelatega, ühendatakse need vooluahelas olevale toiteallikale. Niisiis, fotodioodi kaudu tekitatav vooluhulk on äärmiselt väike, nii et sellest väärtusest ei piisa elektroonilise seadme valmistamiseks.

Kui need on ühendatud välise toiteallikaga, siis annab see voolu vooluahela suunas rohkem. Selles vooluringis kasutatakse akut toiteallikana, mis aitab suurendada voolu väärtust, nii et välised seadmed annavad parema jõudluse.

Fotodioodi efektiivsus

Fotodioodi kvantefektiivsust saab määratleda neeldunud footonite jagunemisena, mis annetavad fotovoolule. Nende dioodide puhul on see avalikult seotud reageerimisvõimega „S”, millel pole laviini mõju, siis saab fotovoolu väljendada

I = S P = ηe / hv. P

Kus

‘Η’ on kvantefektiivsus

‘E’ on elektroni laeng

‘Hν’ on footoni energia

Fotodioodide kvantefektiivsus on äärmiselt kõrge. Mõnel juhul on see üle 95%, kuid muutub lainepikkuse kaudu ulatuslikult. Kõrge kvantefektiivsus nõuab peegelduste juhtimist, välja arvatud kõrge sisemine efektiivsus nagu peegeldusvastane kate.

Reageerimisvõime

Fotodioodi reageerimisvõime on tekitatud fotovoolu suhe ning neeldunud optiline võimsus saab määrata vastuse lineaarses sektsioonis. Fotodioodides on see tavaliselt maksimaalne lainepikkuse piirkonnas, kus footoni energia on suhteliselt suurem kui ribalaiuse energia ja väheneb ribalaiuse piirkonnas, kus neeldumine väheneb.

Fotodioodi arvutamise saab teha järgmise võrrandi põhjal

R = η (e / hv)

Siin on ülaltoodud võrrandis ’h ν’ footoni energia ’η’ on kvandi efektiivsus ja ‘e’ elementaarlaeng. Näiteks on fotodioodi kvantefektiivsus 90% lainepikkusel 800 nm, seejärel on reaktsioonivõime 0,58 A / W.

Fotokordistite ja laviinfotodioodide puhul on sisevoolu korrutamiseks lisategur, nii et võimalikud väärtused oleksid üle 1 A / W. Üldiselt ei sisaldu voolu korrutamine kvantefektiivsuses.

PIN-fotodiood Vs PN-fotodiood

Mõlemad fotodioodid, näiteks PN & PIN, on saadaval paljude tarnijate poolt. Fotodioodi valik on väga oluline, kavandades samal ajal vooluahelat nõutava jõudluse ja omaduste põhjal.
PN-fotodiood ei tööta vastupidises eelarvamuses ja seetõttu on müra jõudluse suurendamiseks sobivam hämaras kasutamiseks.

PIN-fotodiood, mis töötab vastupidises eelhäälestuses, võib tekitada müra voolu S / N suhte vähendamiseks
Suure dünaamilise ulatusega rakenduste korral annab vastupidine eelhäälestus hea jõudluse
Suurte BW-rakenduste korral tagab vastupidine eelhäälestus hea jõudluse, nagu mahtuvus P & N piirkondade vahel ja laadimisvõimsuse salvestamine on väike.

Eelised

The fotodioodi eelised sisaldama järgmist.

• Vähem vastupanu
• Kiire ja suur töökiirus
• Pikk eluiga
• Kiireim fotodetektor
• Spektriline reaktsioon on hea
• Ei kasuta kõrgepinget
• Sagedusreaktsioon on hea
• Tahke ja väikese kaaluga
• See on äärmiselt tundlik valguse suhtes
• Tume vool on sete
• Kõrge kvantefektiivsus
• Vähem müra

Puudused

The fotodioodi puudused sisaldama järgmist.

• Temperatuuri stabiilsus on halb
• Voolu muutus on äärmiselt väike, seetõttu ei pruugi see olla piisav vooluahela juhtimiseks
• Aktiivne ala on väike
• Tavaline PN-ristmiku fotodiood sisaldab suurt reageerimisaega
• Sellel on vähem tundlikkust
• See toimib peamiselt sõltuvalt temperatuurist
• See kasutab nihkepinget

Fotodioodi rakendused

• Fotodioodide rakendused hõlmavad fotodetektorite sarnaseid rakendusi nagu laenguga ühendatud seadmed, fotojuhid ja fotokordisti torud.
• Neid dioode kasutatakse tarbeelektroonikaseadmetes suitsuandurid , kompaktplaadimängijad ning videomagnetofonide telerid ja kaugjuhtimispuldid.
• Muudes tarbeseadmetes, näiteks kellraadiod, kaameravalgustuse arvestid ja tänavavalgustid, kasutatakse fotodioodide asemel sagedamini fotojuhte.
• Fotodioode kasutatakse teaduse ja tööstuse valguse intensiivsuse täpseks mõõtmiseks sageli. Üldiselt on nende võimendatud, lineaarsem reaktsioon kui fotojuhtidel.
• Fotodioode kasutatakse ka laialdaselt arvukalt meditsiinilisi rakendusi nagu proovide analüüsimiseks mõeldud instrumendid, kompuutertomograafia detektorid ja kasutatakse ka veregaasimonitorides.
• Need dioodid on palju kiiremad ja keerukamad kui tavalised PN-ühendusdioodid ja seetõttu kasutatakse neid sageli valgustuse reguleerimiseks ja optilises sides.

V-I fotodioodi omadused

Fotodiood töötab pidevalt vastupidises eelpinge režiimis. Fotodioodi omadused on selgelt näidatud järgmisel joonisel, et fotovool on peaaegu sõltumatu rakendatavast vastupidisest eelpingest. Nullhelenduse korral on fotovool peaaegu null, välja arvatud väikese pimeda voolu korral. See on nanoamprite suurusjärgus. Optilise võimsuse tõustes tõuseb ka fotovool lineaarselt. Fotodioodi võimsuse hajumine on maksimaalne fotovool puudulik.

Omadused

Seega on see kõik fotodioodi tööpõhimõte , omadused ja rakendused. Optoelektroonilisi seadmeid nagu fotodioodid on saadaval erinevat tüüpi, mida kasutatakse peaaegu kõigis elektroonikaseadmetes. Neid dioode kasutatakse IR-valgusallikatega nagu neoon, laser-LED ja fluorestsents. Võrreldes teiste valgusdioodidega pole need dioodid kallid. Loodame, et olete sellest kontseptsioonist paremini aru saanud. Lisaks sellele kõik selle kontseptsiooni või rakendamisega seotud küsimused elektri- ja elektroonikaprojektid inseneriõpilastele . Esitage oma väärtuslikke ettepanekuid, kommenteerides allolevas kommentaaride jaotises. Siin on teile küsimus, mis on fotodioodi funktsioon ?

Foto autorid:

• Fotodiood hamamatsu
• Fotodioodi töö füüsika ja raadioelektroonika
• V-I fotodioodi omadused ecetutorials