Fotodioda je a Přechodová dioda PN který spotřebovává světelnou energii k výrobě elektrického proudu. Někdy se také nazývá fotodetektor, detektor světla a fotosenzor. Tyto diody jsou speciálně navrženy pro práci v podmínkách s obráceným předpětím, to znamená, že strana P fotodiody je spojena se záporným pólem baterie a strana n je připojena ke kladnému pólu baterie. Tato dioda je na světlo velmi složitá, takže když světlo dopadne na diodu, snadno změní světlo na elektrický proud. Solární článek je také označován jako velkoplošná fotodioda, protože převádí sluneční energii na elektrickou energii . Solární článek funguje pouze v jasném světle.

Co je fotodioda?

Fotodioda je jeden typ detektoru světla, který se používá k převodu světla na proud nebo napětí na základě provozního režimu zařízení. Obsahuje optické filtry, vestavěné čočky a také povrchové plochy. Tyto diody mají pomalou dobu odezvy, když se zvětší povrch fotodiody. Fotodiody jsou obdobou běžných polovodičových diod, ale mohou být buď viditelné, aby umožňovaly světlu dosáhnout jemné části zařízení. Několik diod určených pro použít přesně jako fotodioda bude také používat spojení PIN poněkud než obvyklé spojení PN.

Některé fotodiody budou vypadat světelná dioda . Mají dva terminály vycházející z konce. Menší konec diody je katodová svorka, zatímco delší konec diody je anodová svorka. Na následujícím schématu jsou anodové a katodové strany. Za podmínek předpětí bude běžný proud protékat z anody na katodu podle šipky v symbolu diody. Fotoproud proudí v opačném směru.

Druhy fotodiody

Ačkoli na trhu existuje řada typů fotodiod a všechny fungují na stejných základních principech, i když některé jsou vylepšeny jinými efekty. Práce různých typů fotodiod funguje trochu jinak, ale základní provoz těchto diod zůstává stejný. Typy fotodiod lze klasifikovat na základě jejich konstrukce a funkcí následovně.

PN fotodioda
Foto dioda Schottky
PIN fotodioda
Lavinová fotodioda

PN fotodioda

Prvním vyvinutým typem fotodiody je typ PN. Ve srovnání s jinými typy není jeho výkon pokročilý, ale v současné době se používá v několika aplikacích. Fotodetekce probíhá hlavně v oblasti vyčerpání diody. Tato dioda je poměrně malá, ale její citlivost není ve srovnání s ostatními příliš velká. Další informace o diodě PN naleznete na tomto odkazu.

“jaké jsou některé aplikace elektrického proudu ”

PIN fotodioda

V současnosti je nejčastěji používanou fotodiodou typ PIN. Tato dioda shromažďuje fotony světla účinněji ve srovnání se standardní fotodiodou PN, protože široká vnitřní oblast mezi oblastmi P a N umožňuje sbírat více světla a navíc nabízí také nižší kapacitu. Další informace o PIN diodě naleznete na tomto odkazu.

Lavinová fotodioda

Tento druh diody se používá v oblastech s nízkým osvětlením kvůli vysokým úrovním zesílení. Generuje vysokou hladinu hluku. Tato technologie tedy není vhodná pro všechny aplikace. Další informace o lavinové diodě najdete na tomto odkazu.

Schottkyho fotodioda

Schottkyho fotodioda využívá Schottkyho diodu a obsahuje malou diodovou křižovatku, což znamená, že je malá kapacitní křižovatka, takže pracuje při vysokých rychlostech. Tento druh fotodiody se tedy často používá v optických komunikačních systémech s velkou šířkou pásma (BW), jako jsou optické spoje. Další informace o Schottkyho diodě naleznete na tomto odkazu.

Každý typ fotodiody má své vlastní výhody a nevýhody. Výběr této diody lze provést na základě aplikace. Různé parametry, které je třeba vzít v úvahu při výběru fotodiody, zahrnují hlavně šum, vlnovou délku, omezení reverzního zkreslení, zisk atd. Výkonové parametry fotodiody zahrnují citlivost, kvantovou účinnost, dobu přenosu nebo dobu odezvy.

Tyto diody jsou široce používány v aplikacích, kde je vyžadována detekce přítomnosti světla, barvy, polohy, intenzity. Mezi hlavní vlastnosti těchto diod patří následující.

Linearita diody je vzhledem k dopadajícímu světlu dobrá
Hluk je nízký.
Odezva je široká spektrální
Robustní mechanicky
Lehký a kompaktní
Dlouhý život

Požadované materiály pro výrobu fotodiody a rozsah rozsahu vlnových délek elektromagnetického spektra zahrnují následující

Pro křemíkový materiál bude rozsah vlnových délek elektromagnetického spektra (190-1100) nm
U materiálu Germanium bude rozsah vlnových délek elektromagnetického spektra (400-1700) nm
Pro materiál arsenidu india gália bude rozsah vlnových délek elektromagnetického spektra (800-2600) nm
U sulfidového materiálu olova (II) bude rozsah vlnových délek elektromagnetického spektra<1000-3500) nm
Pro materiál rtuti, teluridu kadmia bude rozsah vlnových délek elektromagnetického spektra (400-14000) nm

Fotodiody na bázi Si produkují díky své lepší propustnosti nižší šum než fotodiody na bázi Ge.

Konstrukce

Konstrukci fotodiody lze provést pomocí dvou polovodičů, jako jsou typy P a N. V tomto provedení může být tvorba materiálu typu P provedena difúzí substrátu typu P, který je lehce dotován. Vrstvu iontů P + lze tedy vytvořit z důvodu difúzní metody. Na substrátu typu N lze růst epitaxní vrstvu typu N.

Konstrukce fotodiody

Vývoj difúzní vrstvy P + lze provést přes silně dotovanou epitaxní vrstvu typu N. Kontakty jsou konstruovány z kovů, aby vytvořily dva vývody, jako je anoda a katoda. Přední oblast diody lze rozdělit na dva typy, jako jsou aktivní a neaktivní povrchy.

Neaktivní povrch lze navrhnout pomocí oxidu křemičitého (SiO2). Na aktivním povrchu mohou nad ním dopadat světelné paprsky, zatímco na neaktivním povrchu nemohou paprsky dopadat. & aktivní povrch může být zakryt materiálem antireflexe, aby se energie světla nemohla ztratit a nejvyšší z nich lze změnit na proud.

Práce s fotodiodou

Princip fotodiody spočívá v tom, že když foton s dostatečnou energií zasáhne diodu, vytvoří pár elektronové díry. Tento mechanismus se také nazývá vnitřní fotoelektrický jev. Pokud absorpce nastane ve spojení oblasti vyčerpání, pak jsou nosiče odstraněny ze spojení zabudovaným elektrickým polem oblasti vyčerpání.

Princip fotodiody

Proto se díry v oblasti pohybují směrem k anodě a elektrony se pohybují směrem ke katodě a generuje se fotoproud. Celý proud procházející diodou je součtem nepřítomnosti světla a fotoproudu. Chybějící proud musí být snížen, aby se maximalizovala citlivost zařízení.

Provozní režimy

Provozní režimy fotodiody zahrnují tři režimy, jmenovitě fotovoltaický režim, fotovodivý režim, režim lavinové diody

Fotovoltaický režim: Tento režim je také známý jako režim s nulovým předpětím, při kterém napětí produkuje zesvětlená fotodioda. Poskytuje velmi malý dynamický rozsah a nelineární nutnost vytvářeného napětí.

Fotovodivý režim: Fotodioda použitá v tomto fotovodivém režimu má obvykle obrácené předpětí. Aplikace zpětného napětí zvýší šířku vrstvy vyčerpání, což zase sníží dobu odezvy a kapacitu spojení. Tento režim je příliš rychlý a zobrazuje elektronický šum

Režim lavinové diody: Lavinové diody fungují ve vysokém stavu reverzního předpětí, což umožňuje znásobení rozpadu laviny u každého foto-produkovaného páru elektron-díra. Tímto výsledkem je vnitřní zisk fotodiody, který pomalu zvyšuje odezvu zařízení.

Proč je fotodioda provozována v opačném směru?

Fotodioda pracuje v režimu fotovodivé. Když je dioda připojena v obráceném předpětí, lze zvětšit šířku vrstvy vyčerpání. Tím se sníží kapacita spojení a doba odezvy. Ve skutečnosti toto předpětí způsobí rychlejší časy odezvy diody. Takže vztah mezi fotoproudem a osvětlením je lineárně úměrný.

Která je lepší fotodioda nebo fototranzistor?

Fotodioda i fototranzistor se používají k přeměně energie světla na elektrickou. Fototranzistor je však citlivější na rozdíl od fotodiody v důsledku využití tranzistoru.

Tranzistor mění základní proud, který je způsoben absorpcí světla, a proto lze získat obrovský výstupní proud v celém kolektorovém terminálu tranzistoru. Časová odezva fotodiod je ve srovnání s fototranzistorem velmi rychlá. Je tedy použitelný tam, kde dochází k fluktuacím v obvodu. Pro lepší pochopení zde uvádíme některé body fotodiody vs fotorezistoru.

Fotodioda	Fototranzistor
Polovodičové zařízení, které přeměňuje energii ze světla na elektrický proud, je známé jako fotodioda.	Fototranzistor se používá ke změně energie světla na elektrický proud pomocí tranzistoru.
Generuje proud i napětí	Generuje proud
Doba odezvy je rychlost	Doba odezvy je pomalá
Je méně citlivý ve srovnání s fototranzistorem	Je citlivý a generuje obrovský o / p proud.
Tato dioda funguje v obou předpínacích podmínkách	Tato dioda funguje pouze při předpětí.
Používá se v měřiči světla, solární elektrárně atd	Používá se k detekci světla

Fotodiodový obvod

Schéma zapojení fotodiody je uvedeno níže. Tento obvod může být sestaven s 10k rezistorem a fotodiodou. Jakmile si fotodioda všimne světla, pak v ní umožňuje určitý proud. Součet proudu dodávaného touto diodou může být přímo úměrný součtu světla zaznamenaného diodou.

Kruhový diagram

Připojení fotodiody v externím obvodu

V jakékoli aplikaci pracuje fotodioda v režimu reverzního zkreslení. Anodová svorka obvodu může být připojena k zemi, zatímco katodová svorka je připojena ke zdroji energie. Jakmile je osvětlen světlem, proud teče z katodové svorky do anodové svorky.

Jakmile jsou fotodiody využívány s vnějšími obvody, jsou spojeny se zdrojem energie v obvodu. Takže množství proudu generovaného fotodiodou bude extrémně malé, takže tato hodnota není dostatečná pro výrobu elektronického zařízení.

Jakmile jsou připojeny k vnějšímu zdroji energie, dodává do obvodu více proudu. V tomto obvodu se baterie používá jako zdroj energie, která pomáhá zvyšovat hodnotu proudu, aby externí zařízení poskytovala lepší výkon.

“projekty elektroniky pro studenty inženýrství ”

Účinnost fotodiody

Kvantovou účinnost fotodiody lze definovat jako rozdělení absorbovaných fotonů, které se darují fotoproudu. U těchto diod je otevřeně spojena s responzivitou „S“ bez lavinového účinku, pak lze fotový proud vyjádřit jako

I = S P = ηe / hv. P

Kde,

„Η“ je kvantová účinnost

„E“ je náboj elektronu

„Hν“ je energie fotonu

Kvantová účinnost fotodiod je extrémně vysoká. V některých případech to bude nad 95%, nicméně se to značně mění prostřednictvím vlnové délky. Vysoká kvantová účinnost vyžaduje řízení odrazů kromě vysoké vnitřní účinnosti, jako je antireflexní vrstva.

Odpovědnost

Citlivost fotodiody je poměr generovaného fotoproudu a absorbovaný optický výkon lze určit v lineárním úseku odezvy. Ve fotodiodách je to obvykle maximum v oblasti vlnových délek, kde je energie fotonu poměrně vyšší než energie bandgap & klesá v oblasti bandgap, kdekoli se snižuje absorpce.

Výpočet fotodiody lze provést na základě následující rovnice

R = η (e / hv)

Zde ve výše uvedené rovnici je „h ν“ energie fotonu „η“ účinnost kvantového a „e“ náboj elementárního. Například kvantová účinnost fotodiody je 90% při vlnové délce 800 nm, pak bude odezva 0,58 A / W.

Pro fotonásobiče a lavinové fotodiody existuje další faktor pro násobení vnitřního proudu, takže možné hodnoty budou nad 1 A / W. Obecně platí, že do kvantové účinnosti není zahrnuto znásobení proudu.

PIN fotodioda Vs PN fotodioda

Obě fotodiody jako PN & PIN lze získat od mnoha dodavatelů. Výběr fotodiody je velmi důležitý při návrhu obvodu na základě požadovaného výkonu a charakteristik.
Fotodioda PN nefunguje v obráceném předpětí, a proto je vhodnější pro aplikace při slabém osvětlení zvýšit výkonnost šumu.

Fotodioda PIN, která pracuje v obráceném předpětí, může zavést šumový proud ke snížení poměru S / N
U aplikací s vysokým dynamickým rozsahem poskytne reverzní předpětí dobrý výkon
U aplikací s vysokou BW poskytne reverzní předpětí dobrý výkon, jako je kapacita mezi oblastmi P & N a skladování kapacity nabíjení je malé.

Výhody

The výhody fotodiody zahrnout následující.

“1 fáze vs 2 fáze ”

Menší odpor
Rychlá a vysoká rychlost provozu
Dlouhá životnost
Nejrychlejší fotodetektor
Spektrální odezva je dobrá
Nepoužívá vysoké napětí
Frekvenční odezva je dobrá
Pevné a nízké hmotnosti
Je extrémně citlivý na světlo
Temný proud jsou kaly
Vysoká kvantová účinnost
Méně hluku

Nevýhody

The nevýhody fotodiody zahrnout následující.

Stabilita teploty je špatná
Změna proudu je extrémně malá, proto nemusí stačit k řízení obvodu
Aktivní oblast je malá
Obvyklá fotodioda PN přechodu zahrnuje vysokou dobu odezvy
Má menší citlivost
Funguje hlavně v závislosti na teplotě
Používá ofsetové napětí

Aplikace fotodiody

Aplikace fotodiod zahrnují podobné aplikace fotodetektorů, jako jsou nábojově vázaná zařízení, fotovodiče a fotonásobiče.
Tyto diody se používají v zařízeních spotřební elektroniky, jako je detektory kouře , přehrávače kompaktních disků a televizory a dálkové ovladače ve videorekordérech.
V jiných spotřebních zařízeních, jako jsou hodinové radiopřijímače, měřiče světla fotoaparátu a pouliční osvětlení, se fotovodiče používají spíše než fotodiody.
Fotodiody se často používají pro přesné měření intenzity světla ve vědě a průmyslu. Obecně mají vylepšenou, lineárnější odezvu než fotovodiče.
Fotodiody jsou také široce používány v četné lékařské aplikace jako nástroje pro analýzu vzorků, detektory pro počítačovou tomografii a také používané v monitorech krevních plynů.
Tyto diody jsou mnohem rychlejší a složitější než běžné přechodové diody PN, a proto se často používají k regulaci osvětlení a v optické komunikaci.

V-I charakteristiky fotodiody

Fotodioda nepřetržitě pracuje v režimu obráceného předpětí. Charakteristiky fotodiody jasně ukazují následující obrázek, že fotoproud je téměř nezávislý na použitém reverzním předpětí. Pro nulovou svítivost je fotoproud téměř nulový, s výjimkou malého tmavého proudu. Je to řád nanoampérů. Jak stoupá optický výkon, stoupá také fotoproud lineárně. Maximální světelný proud je neúplný ztrátovým výkonem fotodiody.

Vlastnosti

Jedná se tedy o vše princip fungování fotodiody , vlastnosti a aplikace. Optoelektronická zařízení, jako jsou fotodiody, jsou k dispozici v různých typech, které se používají téměř ve všech elektronických zařízeních. Tyto diody se používají s infračervenými zdroji světla, jako jsou neonové, laserové LED a zářivky. Ve srovnání s jinými diodami pro detekci světla nejsou tyto diody drahé. Doufáme, že jste tomuto konceptu lépe porozuměli. Dále jakékoli dotazy týkající se tohoto konceptu nebo implementace elektrické a elektronické projekty pro studenty inženýrství . Uveďte své cenné návrhy komentářem v sekci komentářů níže. Zde je otázka pro vás, jaká je funkce fotodiody ?

Fotografické kredity: