Co je to fotodioda? (Část 1)

Fotodiodaje polovodičové zařízení, které přeměňuje světlo na proud a mezi vrstvami p (kladná) a n (negativní) je vnitřní vrstva. Fotodioda přijímá světelnou energii jako vstup pro výrobu elektrického proudu. Fotodiody jsou také známé jako fotodetektory, fotoelektrické senzory nebo detektory světla.

Fotodioda pracuje za podmínek obráceného předpětí, to znamená, že strana P fotodiody je připojena k záporné elektrodě baterie (nebo napájecího zdroje) a strana N je připojena ke kladné elektrodě baterie. Typickými materiály fotodiod jsou křemík, germanium, fosfid arsenidu india galia a arsenid indium galia.

Uvnitř má fotodioda světelný filtr, vestavěný objektiv a povrch. Když se plocha fotodiody zvětší, zkrátí se doba odezvy. Velmi málo fotodiod vypadá jako světlo emitující diody (LED). Má dva terminály, jak je znázorněno níže. Menší vývod slouží jako katoda a delší vývod slouží jako anoda.

Symbol fotodiody je podobný symbolu LED, ale šipka ukazuje dovnitř namísto vně v LED. Obrázek níže ukazuje symbol fotodiody.

1. Princip fotodiody

Fotodiody fungují tak, že při dopadu energetického fotonu na diodu vytvoří pár elektronových děr. Tento mechanismus je také známý jako vnitřní fotoelektrický jev. Pokud dojde k absorpci ve spojení oblasti vyčerpání, nosiče jsou odstraněny ze spojení vnitřním elektrickým polem v oblasti vyčerpání.

Obvykle, když světlo osvětlí PN přechod, je kovalentní vazba ionizována. Vznikají tak díry a elektronové páry. Fotoproud vzniká v důsledku generování párů elektron-díra. Když fotony s energií větší než 1,1 eV dopadnou na diodu, vytvoří se páry elektron-díra. Když foton vstoupí do oblasti vyčerpání diody, narazí na atom s vysokou energií. To má za následek uvolnění elektronů z atomové struktury. Když se uvolní elektrony, vytvoří se volné elektrony a díry.

Obecně platí, že elektrony mají záporný náboj a díry kladný náboj. Vyčerpaná energie bude mít vestavěné elektrické pole. Kvůli tomuto elektrickému poli je pár elektron-díra daleko od PN přechodu. Díry se tedy pohybují směrem k anodě a elektrony se pohybují směrem ke katodě a vytvářejí fotoproud.

Intenzita absorpce fotonů a energie fotonů jsou vzájemně úměrné. Čím méně energie fotka má, tím více ji pohltí. Celý tento proces se nazývá vnitřní fotoelektrický jev.

Vnitřní excitace a vnější excitace jsou dvě metody fotonové excitace. Proces vlastní excitace nastává, když jsou elektrony ve valenčním pásu excitovány fotony do vodivostního pásu.

2. Pracovní obvod fotodiody

Fotodiody pracují hlavně ve třech různých režimech, kterými jsou:

(1) Fotovoltaický režim

(2)Fotovodivý režim

(3)Režim lavinové diody

(1) Fotovoltaický režim

Tento režim se také nazývá režim nulového zkreslení. Tento režim je preferován, když fotodiody pracují v nízkofrekvenčních aplikacích a aplikacích se super energetickou úrovní osvětlení. Když blesk dopadne na fotodiodu, vytvoří napětí. Výsledné napětí bude mít velmi malý dynamický rozsah a bude mít nelineární charakteristiky. Když je fotodioda nakonfigurována s OP-AMP v tomto režimu, změna teploty bude velmi malá.

(2)Fotovodivý režim

V tomto režimu bude fotodioda pracovat za podmínek obráceného předpětí. Katoda je kladná a anoda záporná. S rostoucím zpětným napětím se zvětšuje i šířka ochuzovací vrstvy. V důsledku toho se sníží doba odezvy a kapacita přechodu. Naproti tomu je tento režim provozu rychlý a generuje elektronický šum.

(3)Režim lavinové diody

Lavinové diody pracují za podmínek vysokého reverzního zkreslení, které umožňují znásobení lavinového rozpadu na každý pár elektron-díra produkovaný fotoelektřinou. Výsledkem je vnitřní zisk fotodiody, který pomalu zvyšuje odezvu zařízení.

(4)Obvod s fotodiodou

Schéma zapojení fotodiody je uvedeno níže. Obvod může být konstruován s 10k rezistorem a fotodiodou. Jakmile si fotodioda všimne světla, nechá jí projít nějaký proud. Součet proudu dodávaného diodou může být úměrný součtu světla pozorovaného diodou.

3. Připojte fotodiodu k externímu obvodu

Fotodioda pracuje v obvodu s obráceným předpětím. Anoda je připojena k zemi obvodu a katoda je připojena ke kladnému napájecímu napětí obvodu. Při osvětlení světlem proudí elektrický proud z katody na anodu.

Pokud jsou fotodiody použity s externím obvodem, jsou připojeny k napájecímu zdroji v obvodu. Proud generovaný fotodiodou bude velmi malý. Tato hodnota proudu nestačí k pohonu elektronického zařízení. Proto, když jsou připojeny k externímu zdroji napájení, poskytuje obvod více proudu. Jako zdroj energie se tedy používá baterie. Bateriový zdroj pomáhá zvyšovat hodnotu proudu a přispívá tak k lepšímu výkonu externích zařízení.

4. Proces výroby fotodiody

Materiál fotodiody

Materiál fotodiody určuje mnoho jejích charakteristik. Klíčovou charakteristikou je vlna světla, na kterou fotodioda reaguje, a druhou je hladina šumu, přičemž obojí do značné míry závisí na materiálu použitém ve fotodiodě.

Různé odezvy na vlnové délky se vyskytují v důsledku použití různých materiálů, protože pouze fotony s dostatečnou energií k excitaci elektronů v zakázaném pásmu materiálu produkují významnou energii pro generování proudu z fotodiody.

Zatímco citlivost materiálu na vlnovou délku je velmi důležitá, dalším parametrem, který může mít významný vliv na výkon fotodiody, je úroveň generovaného šumu.

Křemíkové fotodiody produkují díky své větší šířce pásma méně šumu než germaniové fotodiody. Je však také potřeba vzít v úvahu vlnovou délku požadované fotodiody a germaniové fotodiody je nutné použít pro vlnové délky delší než asi 1000 nm.

Přejděte na část 2 a dozvíte se více.

Kontaktní informace:

Pokud máte nějaké nápady, neváhejte se na nás obrátit. Bez ohledu na to, kde jsou naši zákazníci a jaké jsou naše požadavky, budeme sledovat náš cíl poskytovat našim zákazníkům vysokou kvalitu, nízké ceny a nejlepší služby.