Какво е фотодиод: Принцип на работа и неговите характеристики

Какво е фотодиод: Принцип на работа и неговите характеристики

Фотодиодът е a PN-съединителен диод който консумира светлинна енергия за производство на електрически ток. Понякога се нарича още фотодетектор, светлинен детектор и фотосензор. Тези диоди са специално проектирани да работят в условия на обратното отклонение, това означава, че P-страната на фотодиода е свързана с отрицателния извод на батерията, а n-страната е свързана с положителния извод на батерията. Този диод е много сложен за светлина, така че когато светлината попадне върху диода, той лесно превръща светлината в електрически ток. Слънчевата клетка също е маркирана като фотодиод с голяма площ, тъй като тя преобразува слънчевата енергия в електрическа . Въпреки това, слънчевата клетка работи само при ярка светлина.



Какво е фотодиод?

Фотодиодът е един вид светлинен детектор, използван за преобразуване на светлината в ток или напрежение въз основа на режима на работа на устройството. Състои се от оптични филтри, вградени лещи, както и повърхности. Тези диоди имат бавно време за реакция, когато повърхността на фотодиода се увеличи. Фотодиодите са подобни на обикновените полупроводникови диоди, но те могат да бъдат видими, за да позволят светлината да достигне деликатната част на устройството. Няколко диода, предназначени за използвайте точно като фотодиод, ще използвате и PIN съединение донякъде, отколкото обичайното PN съединение.


Ще изглеждат някои фотодиоди светодиод . Те имат два терминала, идващи от края. По-малкият край на диода е катодният извод, докато по-дългият край на диода е анодният извод. Вижте следната схематична диаграма за анодните и катодните страни. При условие на пристрастие напред конвенционалният ток ще тече от анода към катода, следвайки стрелката в символа на диода. Фототокът протича в обратна посока.





Видове фотодиод

Въпреки че на пазара се предлагат много видове фотодиоди и всички те работят на едни и същи основни принципи, въпреки че някои са подобрени от други ефекти. Работата на различни видове фотодиоди работи по малко по-различен начин, но основната работа на тези диоди остава същата. Видовете фотодиоди могат да бъдат класифицирани въз основа на тяхната конструкция и функции, както следва.

PN фотодиод

Първият развит тип фотодиод е типът PN. В сравнение с други типове, неговата производителност не е напреднала, но в момента се използва в няколко приложения. Фотодетекцията се случва главно в областта на изчерпване на диода. Този диод е доста малък, но чувствителността му не е голяма в сравнение с други. Моля, обърнете се към тази връзка, за да научите повече за PN диода.



ПИН Фотодиод

Понастоящем най-често използваният фотодиод е тип ПИН. Този диод събира светлинните фотони по-мощно в сравнение със стандартния PN фотодиод, тъй като широката вътрешна зона между P и N областите позволява да се събира повече светлина и в допълнение към това, той предлага и по-нисък капацитет. Моля, вижте тази връзка, за да научите повече за PIN диода.


Фотолада от лавина

Този вид диод се използва в области с ниска осветеност поради високите си нива на усилване. Той генерира високи нива на шум. Така че тази технология не е подходяща за всички приложения. Моля, обърнете се към тази връзка, за да научите повече за лавина диод.

Фотодиод на Шотки

Фотодиодът на Шотки използва диод на Шотки и включва малък диоден преход, което означава, че има малък капацитет на прехода, така че той работи при високи скорости. По този начин този вид фотодиод често се използва в оптични комуникационни системи с висока честотна лента (BW) като оптични връзки. Моля, обърнете се към тази връзка, за да научите повече за диода на Шотки.

Всеки вид фотодиод има своите предимства и недостатъци. Изборът на този диод може да се направи въз основа на приложението. Различните параметри, които трябва да се вземат предвид при избора на фотодиод, включват главно шум, дължина на вълната, ограничения на обратното отклонение, усилване и др. Параметрите на производителността на фотодиода включват чувствителност, квантова ефективност, време за преминаване или време за реакция.

Тези диоди се използват широко в приложения, където се изисква откриване на наличието на светлина, цвят, позиция, интензивност. Основните характеристики на тези диоди включват следното.

  • Линейността на диода е добра по отношение на падащата светлина
  • Шумът е слаб.
  • Отговорът е широк спектрален
  • Здрав механично
  • Лек и компактен
  • Дълъг живот

Необходимите материали за получаване на фотодиод и обхватът на дължината на вълната на електромагнитния спектър включва следното

  • За силициевия материал обхватът на дължината на вълната на електромагнитния спектър ще бъде (190-1100) nm
  • За германиевия материал обхватът на дължината на вълната на електромагнитния спектър ще бъде (400-1700) nm
  • За материал от индий галий арсенид обхватът на дължината на вълната на електромагнитния спектър ще бъде (800-2600) nm
  • За оловен (II) сулфиден материал обхватът на дължината на вълната на електромагнитния спектър ще бъде<1000-3500) nm
  • За живак, кадмиев телуриден материал, обхватът на дължината на вълната на електромагнитния спектър ще бъде (400-14000) nm

Поради по-добрата си честотна лента, фотодиодите на базата на Si произвеждат по-нисък шум от фотодиодите на базата на Ge.

Строителство

Конструкцията на фотодиода може да се направи с помощта на два полупроводника като P-тип и N-тип. В този дизайн, образуването на материал от Р-тип може да се извърши чрез дифузия на Р-тип субстрат, който е леко легиран. Така че, слой P + йони може да се образува поради дифузионния метод. На субстрата от N-тип може да се отглежда епитаксиален слой от N-тип.

Фотодиодна конструкция

Фотодиодна конструкция

Разработването на P + дифузионен слой може да се извърши върху силно легирания N-тип епитаксиален слой. Контактите са проектирани с метали, за да направят два извода като анод и катод. Предната област на диода може да бъде разделена на два вида като активни и неактивни повърхности.

Проектирането на неактивната повърхност може да се извърши със силициев диоксид (SiO2). На активна повърхност светлинните лъчи могат да удрят върху нея, докато на неактивна повърхност светлинните лъчи не могат да удрят. & активната повърхност може да бъде покрита чрез антирефлексния материал, така че енергията на светлината да не може да загуби и най-високата от нея да се промени в тока.

Работа на фотодиод

Принципът на работа на фотодиода е, когато фотон с достатъчно енергия удари диода, той прави няколко електронни дупки. Този механизъм се нарича още вътрешен фотоелектричен ефект. Ако абсорбцията възникне в кръстовището на изчерпващата област, тогава носителите се отстраняват от кръстовището чрез вграденото електрическо поле на изчерпателната област.

Фотодиоден принцип на работа

Фотодиоден принцип на работа

Следователно дупките в региона се движат към анода, а електроните се движат към катода и ще се генерира фототок. Целият ток през диода е сбор от липсата на светлина и фототока. Така че липсващият ток трябва да бъде намален, за да се увеличи максимално чувствителността на устройството.

Режими на работа

Режимите на работа на фотодиода включват три режима, а именно Фотоволтаичен режим, Фотопроводим режим, лавинен диоден режим

Фотоволтаичен режим: Този режим е известен също като режим на нулево пристрастие, при който напрежението се произвежда от олекотения фотодиод. Той дава много малък динамичен обхват и нелинейна необходимост от образуваното напрежение.

Фотопроводим режим: Фотодиодът, използван в този фотопроводим режим, е по-често обратно пристрастен. Прилагането на обратно напрежение ще увеличи ширината на слоя на изчерпване, което от своя страна намалява времето за реакция и капацитета на кръстовището. Този режим е твърде бърз и показва електронен шум

Режим на лавинен диод: Лавиновите диоди работят в условие на високо обратно пристрастие, което позволява умножаването на лавинен пробив на всяка двойка електрон-дупка, произведена от снимка. Този резултат е вътрешно усилване на фотодиода, което бавно увеличава реакцията на устройството.

Защо фотодиодът се задейства при обратни пристрастия?

Фотодиодът работи в режим на фотопроводимост. Когато диодът е свързан в обратна посока, тогава ширината на изчерпания слой може да бъде увеличена. Така че това ще намали капацитета на кръстовището и времето за реакция. Всъщност това отклонение ще доведе до по-бързо време за реакция на диода. Така че връзката между фототока и осветеността е линейно пропорционална.

Кое е по-добро Фотодиод или Фототранзистор?

Както фотодиодът, така и фототранзисторът се използват за преобразуване на енергията на светлината в електрическа. Фототранзисторът обаче е по-отзивчив, за разлика от фотодиода, поради използването на транзистора.

Транзисторът променя базовия ток, който причинява поради поглъщане на светлина и следователно огромен изходен ток може да бъде натрупан през колекторния извод на транзистора. Времето на реакция на фотодиодите е много бързо в сравнение с фототранзистора. Така че е приложимо, когато се наблюдава колебание във веригата. За по-добро занижаване тук изброихме някои точки на фотодиода срещу фоторезистора.

Фотодиод

Фототранзистор

Полупроводниковото устройство, което преобразува енергията от светлина в електрически ток, е известно като фотодиод.Фототранзисторът се използва за промяна на енергията на светлината в електрически ток с помощта на транзистора.
Той генерира както тока, така и напрежениетоТой генерира ток
Времето за реакция е скоростВремето за реакция е бавно
Той е по-малко отзивчив в сравнение с фототранзистораТой е отзивчив и генерира огромен o / p ток.
Този диод работи и в двете условия на отклонениеТози диод работи само при отклонение напред.
Използва се в светломер, слънчева електроцентрала и дрИзползва се за откриване на светлината

Фотодиодна верига

Схемата на фотодиода е показана по-долу. Тази схема може да бъде изградена с 10k резистор и фотодиод. След като фотодиодът забележи светлината, той позволява известен поток от ток през нея. Сумата на тока, който се подава през този диод, може да бъде право пропорционална на сумата на светлината, забелязана през диода.

Електрическа схема

Електрическа схема

Свързване на фотодиод във външна верига

Във всяко приложение фотодиодът работи в режим на обратното отклонение. Анодният извод на веригата може да бъде свързан към земята, докато катодният извод е свързан към източника на захранване. След като бъде осветено чрез светлина, тогава токът тече от катодния извод към анодния извод.

След като фотодиодите се използват с външни вериги, те се свързват към източник на енергия в рамките на веригата. Така че количеството ток, генерирано чрез фотодиод, ще бъде изключително малко, така че тази стойност не е достатъчна, за да се направи електронно устройство.

След като са свързани към външен източник на захранване, той доставя повече ток към веригата. В тази схема батерията се използва като източник на енергия, за да помогне за увеличаване на стойността на тока, така че външните устройства да осигуряват по-добра производителност.

Фотодиодна ефективност

Квантовата ефективност на фотодиода може да се определи като разделяне на погълнатите фотони, които даряват на фототока. За тези диоди той е открито свързан с отзивчивостта „S“ без ефект на лавина, тогава фототокът може да бъде изразен като

I = S P = ηe / hv. P

Където,

‘Η’ е квантовата ефективност

‘E’ е зарядът на електрона

‘Hν’ е енергията на фотона

Квантовата ефективност на фотодиодите е изключително висока. В някои случаи тя ще бъде над 95%, но се променя значително през дължината на вълната. Високата квантова ефективност изисква контрол на отраженията, освен висока вътрешна ефективност като антирефлексно покритие.

Отговорност

Отзивчивостта на фотодиода е съотношението на генерирания фототок, както и погълнатата оптична сила може да се определи в линейния участък на отговора. При фотодиодите той обикновено е максимален в областта на дължината на вълната, където енергията на фотоните е доста по-висока от енергията на честотната лента и намалява в зоната на честотната лента, където абсорбцията намалява.

Изчисляването на фотодиода може да се направи въз основа на следното уравнение

R = η (e / hv)

Тук, в горното уравнение, ‘h ν’ е енергията на фотона ‘η’ е ефективността на кванта & ‘e’ ​​заряда на елементарно. Например квантовата ефективност на фотодиода е 90% при дължина на вълната 800 nm, тогава чувствителността ще бъде 0,58 A / W.

За фотоумножителите и лавинните фотодиоди има допълнителен фактор за умножаване на вътрешния ток, така че възможните стойности ще бъдат над 1 A / W. По принцип умножението на тока не е включено в квантовата ефективност.

ПИН Фотодиод Vs PN Фотодиод

И двата фотодиода като PN и PIN могат да бъдат получени от много доставчици. Изборът на фотодиод е много важен при проектирането на схема, базирана на необходимата производителност, както и характеристики.
PN фотодиодът не работи в обратен отклонение и следователно е по-подходящо за приложенията на слаба светлина, за да се подобри работата на шума.

ПИН фотодиодът, който работи в обратен отклонение, може да въведе шумов ток, за да намали съотношението S / N
За приложения с висок динамичен обхват, обратното отклонение ще даде добра производителност
За приложения с висока BW, обратното отклонение ще осигури добра производителност като капацитета между регионите на P & N и капацитетът за съхранение на заряда е малък.

Предимства

The предимства на фотодиода включват следното.

  • По-малко съпротивление
  • Бърза и висока скорост на работа
  • Дълъг живот
  • Най-бързият фотодетектор
  • Спектралният отговор е добър
  • Не използва високо напрежение
  • Честотната характеристика е добра
  • Солидна и с ниско тегло
  • Изключително отзивчив е към светлината
  • Тъмното течение е утайка
  • Висока квантова ефективност
  • По-малко шум

Недостатъци

The недостатъци на фотодиода включват следното.

  • Температурната стабилност е лоша
  • Промяната в рамките на тока е изключително малка, поради което може да не е достатъчно за задвижване на веригата
  • Активната площ е малка
  • Обичайният фотодиод с PN съединение включва високо време за реакция
  • Има по-малка чувствителност
  • Работи главно в зависимост от температурата
  • Той използва компенсирано напрежение

Приложения на Фотодиод

  • Приложенията на фотодиодите включват подобни приложения на фотодетектори като устройства, свързани със заряд, фотопроводници и фотоумножителни тръби.
  • Тези диоди се използват в устройства за потребителска електроника като детектори за дим , компактдискови плейъри и телевизори и дистанционни управления във видеорекордери.
  • В други потребителски устройства като часовници, светлинни фотоапарати и улични светлини, фотопроводниците се използват по-често, отколкото фотодиодите.
  • Фотодиодите често се използват за точно измерване на интензивността на светлината в науката и индустрията. Като цяло те имат подобрена, по-линейна реакция от фотопроводниците.
  • Фотодиодите също се използват широко в множество медицински приложения като инструменти за анализ на проби, детектори за компютърна томография и също използвани в монитори за кръвни газове.
  • Тези диоди са много по-бързи и по-сложни от нормалните PN диодни съединения и следователно често се използват за регулиране на осветлението и в оптични комуникации.

V-I Характеристики на фотодиода

Фотодиодът непрекъснато работи в режим на обратното отклонение. Характеристиките на фотодиода са показани ясно на следващата фигура, че фототокът е почти независим от приложеното напрежение на обратното отклонение. При нулева яркост фототокът е почти нулев, с изключение на малкия тъмен ток. Той е от порядъка на нано ампери. С нарастването на оптичната мощност фототокът се покачва и линейно. Максималният фототок не е пълен от разсейването на мощността на фотодиода.

Характеристики

Характеристики

По този начин това е всичко за фотодиоден принцип на работа , характеристики и приложения. Оптоелектронните устройства като Фотодиоди се предлагат в различни типове, които се използват в почти всички електронни устройства. Тези диоди се използват с IR източници на светлина като неон, лазерен LED и флуоресцентен. В сравнение с други диоди за откриване на светлина, тези диоди не са скъпи. Надяваме се, че сте разбрали по-добре тази концепция. Освен това, всякакви въпроси относно тази концепция или за изпълнение електрически и електронни проекти за студенти по инженерство . Моля, дайте вашите ценни предложения, като коментирате в раздела за коментари по-долу. Ето въпрос към вас, каква е функцията на фотодиод ?

Кредити за снимки: