Čo je to fotodióda? (Časť 1)

Fotodiódaje polovodičové zariadenie, ktoré premieňa svetlo na prúd a medzi vrstvami p (kladná) a n (negatíva) sa nachádza vnútorná vrstva. Fotodióda prijíma svetelnú energiu ako vstup na výrobu elektrického prúdu. Fotodiódy sú tiež známe ako fotodetektory, fotoelektrické senzory alebo detektory svetla.

Fotodióda pracuje za podmienok spätného predpätia, to znamená, že P-strana fotodiódy je pripojená k zápornej elektróde batérie (alebo zdroja napájania) a N-strana je pripojená ku kladnej elektróde batérie. Typickými materiálmi fotodiód sú kremík, germánium, arzenid indium-gálium fosfid a arzenid indium-gálium.

Vo vnútri má fotodióda svetelný filter, vstavanú šošovku a povrch. Keď sa plocha fotodiódy zväčší, čas odozvy sa zníži. Veľmi málo fotodiód vyzerá ako svetelné diódy (LED). Má dva terminály, ako je znázornené nižšie. Menšia svorka slúži ako katóda a dlhšia svorka slúži ako anóda.

Symbol fotodiódy je podobný symbolu LED, ale šípka ukazuje dovnútra namiesto von v LED. Na obrázku nižšie je zobrazený symbol fotodiódy.

1. Princíp fotodiódy

Fotodiódy fungujú tak, že pri dopade energetického fotónu na diódu vytvoria pár elektrónových dier. Tento mechanizmus je známy aj ako vnútorný fotoelektrický efekt. Ak dôjde k absorpcii v križovatke oblasti vyčerpania, nosiče sú odstránené zo spoja vnútorným elektrickým poľom v oblasti vyčerpania.

Zvyčajne, keď svetlo osvetlí PN prechod, kovalentná väzba je ionizovaná. Vznikajú tak diery a elektrónové páry. Fotoprúd vzniká v dôsledku vytvárania párov elektrón-diera. Keď fotóny s energiami väčšími ako 1,1 eV dopadnú na diódu, vytvoria sa páry elektrón-diera. Keď fotón vstúpi do oblasti vyčerpania diódy, narazí na atóm s vysokou energiou. To má za následok uvoľnenie elektrónov z atómovej štruktúry. Pri uvoľnení elektrónov vznikajú voľné elektróny a diery.

Vo všeobecnosti majú elektróny záporný náboj a diery kladný náboj. Vyčerpaná energia bude mať zabudované elektrické pole. Kvôli tomuto elektrickému poľu je pár elektrón-diera ďaleko od PN prechodu. Takže diery sa pohybujú smerom k anóde a elektróny sa pohybujú smerom ku katóde, aby vytvorili fotoprúd.

Intenzita absorpcie fotónu a energia fotónu sú navzájom úmerné. Čím menej energie fotografia má, tým viac pohltí. Celý tento proces sa nazýva vnútorný fotoelektrický jav.

Vnútorná excitácia a vonkajšia excitácia sú dve metódy excitácie fotónov. Proces vnútornej excitácie nastáva, keď sú elektróny vo valenčnom pásme excitované fotónmi do vodivého pásma.

2. Pracovný obvod fotodiódy

Fotodiódy pracujú hlavne v troch rôznych režimoch, ktorými sú:

(1) Fotovoltaický režim

(2) Fotovodivý režim

(3) Režim lavínovej diódy

(1) Fotovoltaický režim

Tento režim sa tiež nazýva režim nulovej odchýlky. Tento režim sa uprednostňuje, keď fotodiódy pracujú v nízkofrekvenčných aplikáciách a svetelných aplikáciách so super energetickou úrovňou. Keď blesk dopadne na fotodiódu, vytvorí napätie. Výsledné napätie bude mať veľmi malý dynamický rozsah a bude mať nelineárne charakteristiky. Keď je fotodióda nakonfigurovaná s OP-AMP v tomto režime, zmena teploty bude veľmi malá.

(2) Fotovodivý režim

V tomto režime bude fotodióda pracovať v podmienkach reverznej odchýlky. Katóda je kladná a anóda záporná. Keď sa spätné napätie zvyšuje, zväčšuje sa aj šírka vrstvy vyčerpania. V dôsledku toho sa zníži čas odozvy a kapacita spoja. Na rozdiel od toho je tento režim prevádzky rýchly a generuje elektronický šum.

(3) Režim lavínovej diódy

Lavínové diódy fungujú za podmienok vysokého reverzného predpätia, ktoré umožňujú znásobenie lavínového rozpadu na každý pár elektrón-diera produkovaný fotoelektrinou. Výsledkom je vnútorný zisk fotodiódy, ktorý pomaly zvyšuje odozvu zariadenia.

(4) Fotodiódový obvod

Schéma zapojenia fotodiódy je uvedená nižšie. Obvod môže byť skonštruovaný s 10k rezistorom a fotodiódou. Akonáhle si fotodióda všimne svetlo, nechá cez ňu prejsť nejaký prúd. Súčet prúdu dodávaného cez diódu môže byť úmerný súčtu svetla pozorovaného cez diódu.

3. Pripojte fotodiódu k externému obvodu

Fotodióda pracuje v obvode s reverzným predpätím. Anóda je pripojená k zemi obvodu a katóda je pripojená na kladné napájacie napätie obvodu. Pri osvetlení svetlom prúdi elektrický prúd z katódy na anódu.

Keď sa fotodiódy používajú s externým obvodom, sú pripojené k napájaciemu zdroju v obvode. Prúd generovaný fotodiódou bude veľmi malý. Táto hodnota prúdu nestačí na pohon elektronického zariadenia. Preto, keď sú pripojené k externému zdroju napájania, poskytuje viac prúdu do obvodu. Ako zdroj energie sa teda používa batéria. Batériový zdroj pomáha zvyšovať aktuálnu hodnotu, čím prispieva k lepšiemu výkonu externých zariadení.

4. Proces výroby fotodiódy

Materiál fotodiódy

Materiál fotodiódy určuje mnohé z jej charakteristík. Kľúčovou charakteristikou je vlna svetla, na ktorú fotodióda reaguje, a druhou je hladina hluku, pričom obe do značnej miery závisia od materiálu použitého vo fotodióde.

Rôzne odozvy na vlnové dĺžky sa vyskytujú v dôsledku použitia rôznych materiálov, pretože iba fotóny s dostatočnou energiou na excitáciu elektrónov v zakázanom pásme materiálu produkujú významnú energiu na generovanie prúdu z fotodiódy.

Zatiaľ čo citlivosť materiálu na vlnovú dĺžku je veľmi dôležitá, ďalším parametrom, ktorý môže mať významný vplyv na výkon fotodiódy, je úroveň generovaného šumu.

Kremíkové fotodiódy kvôli ich väčšej medzere v pásme produkujú menej šumu ako germániové fotodiódy. Je však tiež potrebné zvážiť požadovanú vlnovú dĺžku fotodiódy a germániové fotodiódy sa musia použiť pre vlnové dĺžky dlhšie ako približne 1000 nm.

Prejdite na časť 2 a dozviete sa viac.

Kontaktné informácie:

Ak máte nejaké nápady, neváhajte sa s nami porozprávať. Bez ohľadu na to, kde sú naši zákazníci a aké sú naše požiadavky, budeme nasledovať náš cieľ poskytovať našim zákazníkom vysokú kvalitu, nízke ceny a najlepšie služby.